石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外光探测技术领域，特别涉及一种用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件及其增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法。
【背景技术】
[0002]红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。
[0003]石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，单层石墨的厚度约0.35nm。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的力学、热学、电学和光学特性，在电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯基光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。
[0004]表面增强红外吸收光谱技术(Surface-Enhanced Infrared Absorpt1n)能够显著增强被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测微量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具。然而目前该技术存在增强波段十分狭窄、探测能力受到极大限制、重复性有待提高的缺陷，不具备微量分子检测的普遍意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法，所述方法包括:1)制作石墨烯等离激元器件的红外增强及探测装置，包括衬底、电介质层、石墨烯层、源极与漏极金属层；源极金属层与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，待测材料层设置以覆盖所述台阶状的结构；其中，所述衬底同时作为栅极层，所述石墨烯层覆盖于电介质层之上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通，所述衬底与石墨烯层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；2)将待检测物置于石墨烯微结构之上；3)对石墨烯微结构进行电学测试:测量石墨烯的Ids-Vg输运曲线，读出石墨烯的狄拉克点对应的电压Vg(CNP) ;4)利用原位扣背景的方法进行红外信号检测，包括以下子步骤:a)以V(CNP)的电压为检测背景，采集消光谱T(CNP) ;b)调节电压Vg，利用高于或者低于狄拉克点出的正负电压进行不同程度地增强样品信号，再次采集消光谱T(EF)，所述电压Vg的步长根据不同的电介质层材料的性质和具体需要测量的范围来确定。
[0006]优选地，所述电压Vg的范围为-200-200V。
[0007]优选地，所述石墨稀等离激元与待检测物质分子振动親合的消光谱T由T =1-T(EF)/T(CNP)获得。
[0008]优选地，所述待检测物采用旋涂，流延法，沉积法或生长法覆盖在石墨烯微结构之上。
[0009]优选地，所述台阶状的结构为通孔或盲孔。
[0010]优选地，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构。
[0011]优选地，所述圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为 10-1000nm。
[0012]优选地，所述电介质层的材料选自:NaCl，KBr,Csl, CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF,AgBr, AgCl，ZnS, ZnSe，KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。
[0013]应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
【附图说明】
[0014]参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中:
[0015]图1为本发明的石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法的流程图。
[0016]图2为本发明的用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图。
[0017]图3(a)_3(g)为本发明的用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件周期性微纳米结构示意图。
[0018]图4(a)_4(b)为本发明的石墨烯微纳米结构的纵向剖面放大图。
[0019]图5(a)为本发明的一个实施例以CaF2作为电介质层所测得的石墨稀的Ids-Vg输运曲线图。
[0020]图5(b)为本发明的一个实施例以CaFjt为电介质层所测得的ΡΕ0薄膜在有石墨烯等离激元增强作用和没有增强作用时候的红外消光谱线的对比图。
[0021]图5(c)示意出了在675-1360cm 1区域以内的吸收峰的位置以及对应的分子振动模式。
[0022]图5(d)示意出了石墨烯等离激元的共振吸收峰随电压升高的变化情况。
[0023]图6(a)为本发明的一个实施例以CaF2作为电介质层所测得的石墨稀的Ids-Vg输运曲线图。
[0024]图6(b)为本发明的一个实施例以CaF2作为电介质层所测得的单原子层的BN薄膜在有石墨烯等离激元增强作用和没有增强作用时候的红外消光谱线的对比图。
[0025]所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
【具体实施方式】
[0026]通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
[0027]在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0028]本发明提供的石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法如图1所示，所述方法包括以下步骤:
[0029]步骤101，制作石墨烯等离激元器件的红外增强及探测装置，包括衬底、电介质层、石墨烯层、源极与漏极金属层；源极金属层与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，待测材料层设置以覆盖所述台阶状的结构；其中，所述衬底同时作为栅极，所述石墨烯层覆盖于电介质层之上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通。所述衬底与石墨烯层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；
[0030]步骤102，将待检测物置于石墨烯微结构之上；
[0031]步骤103，对石墨烯微结构进行电学测试:测量石墨烯的Ids-Vg输运曲线，读出石墨烯的狄拉克点对应的电压Vg(CNP);
[0032]步骤104，利用原位扣背景的方法进行红外信号检测，首先以Vg(CNP)的电压为检测背景，采集消光谱T (CNP);
[0033]步骤105，调节电压Vg，利用高于或者低于狄拉克点出的正负电压进行不同程度地增强样品信号，再次采集消光谱T(EF)，所述电压Vg的步长根据不同的待测物质和不同的电介质层的材料来确定。
[0034]图2示意性示出了本发明的用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图。所述石墨烯等离激元器件200包括自下而上依次设置的衬底201、电介质层202、石墨稀层203、源极204与漏极205。源极金属层与漏极金属层之间的石墨稀层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，待测材料层设置以覆盖所述台阶状的结构；其中，所述石墨烯层覆盖于电介质层之上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通。所述衬底与石墨烯层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构。如图3(a)-3(g)所示，所述石墨烯微纳米结构为台阶状结构，所述台阶状结构在石墨烯等离激元器件的横切方向上呈圆环、圆形、椭圆形、三角形形、正六边形、长方形、五角形的结构，这些结构的直径范围为在
10-1000nm。以图3(a)为例，在石墨稀层301上刻蚀圆环状通孔302，以形成石墨稀微纳米结构。在这些结构的边缘能够使待测材料与石墨烯产生分子共振，使得待测材料的红外性质增强。台阶状结构纵向剖面的放大图如图4(a)_4(b)所示。图4(a)中的台阶状结构为盲孔401，且此种台阶状结构能够在石墨烯层上产生直角边缘的结构402，当待测物质406涂在石墨烯微纳米结构上，能够受到等离激元在边缘产生的强烈电磁场的作用，从而能够增强待测物质的红外性质。同样的，图4(b)中的台阶状结构为通孔403，其同样也能产生直角边缘的结构。在这些台阶状结构的边缘都能够在红外光激发下产生局域等离激元，增强待测物质的红外吸收。
[0035]前述衬底可选用但不限于硅片、玻璃、塑料、不锈钢等硬质或柔性衬底，用于支撑石墨烯微纳米结构。根据本发明的一个实施例，衬底201的材料为低阻硅片。
[0036]电介质层 202 的材料选自 NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Si02。本发明用到的电介质层材料具有极低的红外活性，能够减少检测的干扰，提高灵敏度。并且用于石墨烯能够使待测物质的红外性质增强。能够实现中、远红外(400-4000cm 3甚至指纹区(675_1500cm 3的检测。
[0037]石墨烯层203作为所述等离激元器件200的沟道层，覆盖于所述电介质层202之上，所述石墨烯层203包括单层、两层或两层以上的石墨烯，优选地，可采用1-10层的石墨烯，其覆盖于于电介质层202上，并且与源极204和漏极205下表面接触，形成源极与漏极间的导电沟道。
[0038]源极204与漏极205分别形成沟道层的两端，其均以沟道形成电性连接。所述源极与漏极金属层的材料不是限定性的，可选自且不限于金、银、铜、铝、铂、钛等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其厚度优选为10-1000nm。
[0039]源极金属层204与漏极金属层205之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米