一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器的制作方法

本发明属于传感器结构设计技术领域，具体涉及一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器。

背景技术：

电磁波谱中，通常把波长范围为0.760μm~1000μm这一波谱区间称为红外波谱区，其中又分为近红外（0.76μm~2.5μm）、中红外（2.5μm~25μm）和远红外（25μm~1000μm）。中红外又被称为热红外或发射红外，该波段广泛被应用于生物分子、环境监测、受禁毒品和易爆材料等物质种类的检测和识别，因此在中红外波段设计用于识别物质种类的传感器件具有重要意义。一般情况下，被探测的生物化学物质具有区别于其他物质的光学折射率，因此通过探测物质折射率的办法可以间接达到分辨物质种类的目的。传统上，利用折射率变化对电压，温度，外力，电磁波的振幅，相位，偏振态等物理参数引起变化的规律能够探测物质折射率，但是由于这些机制的传感器灵敏度较低，不能满足高灵敏度传感的要求。近几年，虽然基于纳米线结构（nanowire），晶体波导结构（crystalswaveguide），法诺共振（fanoresonance）超材料的折射率传感器提高了传统传感器的灵敏度，但是这些静态结构的传感器工作波段固定，在一定程度上限制了被探测物的种类。为了实现工作波段动态可调的传感器，2011年发表在acsnano杂志上题为compliantmetamaterialsforresonantlyenhancedinfraredabsorptionspectroscopyandrisensing的文章提出了基于可拉伸基底的超材料传感器，实现了工作波段的动态可调，但这种传感器结构复杂，调控时间较长。随着对石墨烯材料研究的不断深入，基于电控单层石墨烯的折射率传感器也被设计出来，其具有工作波段动态可调的优点，但单层石墨烯共振峰的品质因子较低，导致传感器的灵敏度不高。为了满足对生物化学物质，如dna、受禁毒品和易爆材料等的精准、快速检测和识别，我们急需一种结构简单易于集成、工作波段快速可调且灵敏度较高的折射率传感器。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的折射率传感器结构复杂、工作波段固定且灵敏度低的问题，提供一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，利用其吸收光谱的变化来判断被探测物折射率的差异，简化了单元结构，提高了传感器的灵敏度，实现了工作波段的动态快速可调。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，所述中红外折射率传感器包括金属基底层、介质层、带状石墨烯周期阵列结构及两个条状金属电极；所述金属基底层上面设置有介质层，所述介质层上面设置有带状石墨烯周期阵列结构，所述带状石墨烯周期阵列结构的两端各设置有一个条状金属电极；所述带状石墨烯周期阵列结构是由两个单层带状石墨烯周期阵列叠合而成的双层结构。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的中红外折射率传感具有结构简单、体积小、易于集成、工作波段快速可调谐和灵敏度高（3.18μm/riu）的优点，解决了某些化学物质在特定波段存在干扰吸收峰的问题，本发明在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述传感器的结构示意图，其中，1-金属基底层、2-介质层、3-带状石墨烯周期阵列结构、4-条状金属电极；

图2为本发明实施例1中具有不同折射率被探测物质对应的吸收光谱仿真结果图；

图3为本发明实施例1中吸收峰位置随被探测物质折射率的变化仿真结果图；

图4为本发明实施例1中通过外加不同电压实现动态可调的工作波段图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。

本发明通过将两层带状石墨烯周期阵列叠加、优化微结构的几何参数并选择合适的介质层材料，实现了结构简单、易于集成、工作波段快速可调、灵敏度高的中红外折射率传感器的设计。采用双层带状石墨烯周期阵列结构是因为其支持较高品质的等离激元共振模式，能在共振位置产生窄带的峰值和较大的吸收峰，这些特征是传感器实现精准传感的重要条件。本发明折射率传感器工作时需要将被探测物旋涂在双层带状石墨烯周期阵列结构表面，通过调控电压选择工作波段而后进行测量，其工作原理是当入射的电磁波透过探测物入射到传感器微结构时，位于石墨烯表面具有不同折射率的被探测物质会影响双层带状石墨烯周期阵列结构表面激发等离激元共振，从而影响电磁场的重新分布。由于传感器底部为不透光的金属层材料，因此共振频率处的大部分电磁能量会被吸收，这样通过吸收谱来观察其共振波长位置，从而判断被探测物质的折射率，达到识别物质种类的目的。根据探测的具体需求和被探测物的光谱特征，可以通过调节电压的方式选择传感器的工作波段，避开干扰的吸收峰，实现对多种物质精确的传感探测。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，所述中红外折射率传感器包括金属基底层1、介质层2、带状石墨烯周期阵列结构3及两个条状金属电极4；所述金属基底层1上面设置有介质层2，所述介质层2上面设置有带状石墨烯周期阵列结构3，所述带状石墨烯周期阵列结构3的两端各设置有一个条状金属电极4；所述带状石墨烯周期阵列结构3是由两个单层带状石墨烯周期阵列叠合而成的双层结构。本发明通过控制金属基底层1和条状金属电极4之间的电压进而调控其工作波长范围。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，所述带状石墨烯周期阵列结构3的宽度与两个相邻设置的带状石墨烯周期阵列结构3之间的间距相等，为结构单元周期的一半。一个带状石墨烯周期阵列结构3与其相邻的带状石墨烯周期阵列结构3之间的间距称为一个结构单元。具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，所述的介质层2为二氧化硅、氟化镁、氟化钙或三氧化二铝中的一种，所述的金属基底层1和条状金属电极4的材质均为金或银。本发明折射率传感器工作时被探测物附着在双层带状石墨烯周期阵列结构3的表面，被探测物质会影响石墨烯表面激发的等离激元共振模式，从而影响电磁场的重新分布；被探测物质折射率的变化引起传感器吸收峰移动的特性来工作，因此通过观察石墨烯吸收峰位置来判断被探测物的种类。在该折射率传感器中，施加在金属基底层1和条状金属电极4之间的电压可以调节双层带状石墨烯的费米能级，从而实现快速的调节传感器的工作波段。实施例1：

参照图1，本发明中金属基底层1和条状金属电极4选用金，所述介质层2选用300nm厚的三氧化二铝，双层带状石墨烯周期阵列结构3的宽度为50nm，结构单元的周期为100nm，在金属基底层1和条状金属电极4之间施加电压，将石墨烯的费米能级分别调到0.25ev和0.4ev，实现传感器工作波段在5.6μm~7.8μm和7.4μm~9.9μm之间的快速选择。

实施例2：

参照图1，本发明中金属基底层1和条状金属电极4选用金，所述介质层2选用349nm厚的氟化镁，双层带状石墨烯周期阵列结构3的宽度为40nm，结构单元的周期为80nm，在金属基底层1和条状金属电极4之间施加电压，从而实现传感器工作波段的快速调控。

实施例3：

参照图1，本发明中金属基底层1和条状金属结构4选用银，所述介质层2选用330nm厚氟化钙，双层带状石墨烯周期阵列结构3的宽度为60nm，结构单元的周期为120nm，在金属基底层1和条状金属电极4之间施加电压，从而实现传感器工作波段的快速调控。

本发明的效果可通过仿真结果进一步说明：

图2是本发明对实施例1中不同折射率探测物质对应的吸收仿真结果图。随着被探测物质折射率的增大，该传感器的吸收峰向更长的波段移动。通过观察吸收峰的位置判断被探测物的折射率。

图3给出了本发明实施例1中吸收峰光谱位置随探测物质折射率变化的曲线图。灵敏度是指某方法对单位浓度或单位量待测物质变化所致的响应量变化程度，它可以用仪器的响应量或其他指示量与对应的待测物质的浓度或量之比来描述。为了衡量本发明传感器的灵敏度，图3拟合了吸收峰随折射率变化的曲线，得到了曲线斜率即单位折射率变化引起的吸收峰位置的移动（∂λ/∂n），本发明中红外折射率传感器的灵敏度高达3.18μm/riu。

图4给出了本发明实施例1中通过加外电压方式实现的快速可调的工作波段。该发明通过在类晶体管结构中给石墨烯加电压的方式改变石墨烯的费米能级，从而调节传感器的工作波段。当石墨烯的费米能级被调整到0.25ev时，该传感器探测物质折射率（n=1~2）的工作波段为5.6μm~7.8μm。当石墨烯的费米能级被调整到0.4ev时，该传感器探测物质折射率（n=1~2）的工作波段为7.4μm~9.9μm。