基于可调谐表面等离激元的增强探测一体化红外光谱芯片

本发明涉及红外光谱，尤其涉及一种光谱增强与光谱探测一体化红外光谱检测芯片。

背景技术：

1、红外光谱技术能直接探测分子振动模式，具有高“指纹”特征性、无需样品标记、无损原位检测、定性定量分析等独特优势，是一种极具潜力的现场快速光谱检测技术，广泛应用在生物医疗、环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。然而，传统红外光谱技术存在着灵敏度低的难题，其无法检测低浓度的生物分子。其中最主要的原因是中红外光波长(6~16 μm)比分子尺寸(<10 nm)大三个数量级，导致光波与分子相互作用极其微弱，红外光谱信号探测极其困难。

2、近年来，基于表面等离激元效应发展起来的表面增强红外光谱技术能在分子周围激发高度局域的电磁谐振模式，将光波束缚在纳米空间内，从而极大增强光波与分子的相互作用。该技术为解决光波与分子相互作用极其微弱的难题，突破红外光谱系统检测灵敏度低的技术瓶颈提供了一种全新思路，已迅速发展成为了微纳光学、纳米技术、生命科学等前沿交叉领域的研究热点。目前研究高强度的局域电磁模式的激发机理，及其与分子振动模式的相互作用规律，以实现分子红外吸收光谱信号的极大增强是该技术需解决的首要难题。基于国内外研究现状检索，目前主要有以下两种解决思路：

3、第一种思路是基于金属表面等离激元效应，采用金属表面等离激元器件与傅里叶红外光谱仪联用的方法实现光谱信号探测。通过设计各种金属纳米结构在分子周围产生高强度的局域电磁模式，对特定种类的痕量分子实现高精度检测。然而，金属表面等离激元谐振频率位于紫外及可见光波段，红外波段金属表面等离激元的能量损耗严重，金属材料的损耗及带宽限制是由金属自由电子气的固有特性所决定，导致其谐振频率无法动态调谐，红外光谱增强波段狭窄。

4、第二种思路是基于石墨烯表面等离激元效应增强分子的红外吸收光谱信号，采用表面等离激元器件与傅里叶红外光谱仪联用的方法实现光谱信号探测。二维材料石墨烯是由碳原子构成的一种新型二维晶体材料，能够在红外波段支持表面等离激元本征局域电磁模式，该模式具有损耗极低、局域增强极大、谐振频率可调谐等特性。通过调节外部电压改变石墨烯纳米结构的等离激元频率，可对诸如蛋白质等生物分子的红外振动信息进行高精度的检测。

5、然而，石墨烯表面等离激元器件仍普遍存在等离激元谐振峰线宽较大，品质因数较低的问题，导致当前的石墨烯表面等离激元增强红外光谱技术存在增强倍数以及光谱分辨力低的难题，使得其通常需要与傅里叶红外光谱仪联用以获得分子的红外吸收光谱信号。由于传统傅里叶红外光谱仪存在体积大、重量大、价格昂贵等缺点，该光谱探测方法对红外光谱仪的严重依赖，严重阻碍了该技术的现场快速检测应用。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术的不足，提出一种基于可调谐表面等离激元的增强探测一体化红外光谱芯片，采用石墨烯/氮化硼异质结与介质超表面复合，设计可调谐表面等离激元波导谐振器，激发低损耗的表面等离激元模式，实现窄带滤波及分子红外吸收光谱增强；将可调谐表面等离激元波导谐振器与红外探测器单片集成，通过外电场调控谐振峰实现宽波段波长扫描，按时间序列依次获得红外光谱信号，最终实现分子红外吸收光谱信号的增强及探测，具有使用方便，灵敏度高，集成度高，可实现多种未知痕量分子实现探测等优点，可用于生物医疗、环境监测、食品安全等领域。

2、为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：

3、基于可调谐表面等离激元的增强探测一体化红外光谱芯片，所述芯片自上而下依次设置有源极及漏级、石墨烯/氮化硼异质结、纳米间隙层、介质超表面、电介质层、红外探测器和衬底。

4、所述介质超表面，是通过在电介质层表面沉积硅层，进一步对硅层加工形成超表面的结构轮廓，获得介质超表面结构，用于实现表面等离激元模式与自由空间光的波矢匹配。所述介质超表面同时作为背电极用于实现石墨烯的电学调控。相比于采用金属超表面，使用介质超表面能够有效减少损耗，提高光谱的品质因数（q值）。

5、所述石墨烯/氮化硼异质结，是将氮化硼薄膜与石墨烯薄膜复合，用于降低基底对石墨烯材料特性的影响，以获得低损耗表面等离激元模式。

6、所述介质超表面和所述石墨烯/氮化硼异质结之间具有纳米间隙层，纳米间隙层作为栅极介质层，所述石墨烯/氮化硼异质结与所述介质超表面形成类似于平行板电容结构。

7、所述源极和漏极，沉积在石墨烯/氮化硼异质结上，源极和漏极通过石墨烯导通。

8、所述电介质层，位于所述红外探测器裸片和所述介质超表面之间，即位于红外探测器上作为保护层，用于保护红外探测器裸片表面，避免后续微纳加工对红外探测器裸片造成伤害。

9、所述红外探测器位于衬底之上，通过电介质层与所述石墨烯/氮化硼异质结、所述纳米间隙层以及所述介质超表面形成的可调谐表面等离激元波导谐振器纵向单片集成，用于红外光谱信号探测，通过光谱重构算法对探测积分信号进行去噪与解调，获得分子的红外光谱吸收信号，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测。

10、本发明的以上结构中，所述石墨烯/氮化硼异质结、所述纳米间隙层以及所述介质超表面，形成可调谐表面等离激元波导谐振器，可在红外光波激发下产生可调谐表面等离激元，从而在石墨烯表面产生强局域电场。进一步通过在所述石墨烯/氮化硼异质结和介质超表面之间施加外部电压，对石墨烯的表面电导率进行调节，从而对表面等离激元谐振峰进行动态调节，实现窄带滤波。同时，当表面等离激元谐振频率调谐到与待检测物质的分子振动频率一致时，被测分子周围单位空间内的电磁场强度达到最强，极大增强待测分子的红外光谱信号。

11、优选地，在所述石墨烯/氮化硼异质结和介质超表面之间施加的外部电压范围为-2～2v，对石墨烯表面等离激元谐振峰在5～16μm红外范围内实现动态调节。

12、采用本发明上述结构器件，在不同电压条件下探测到电信号，并将探测到的信号形成对应集合，构建数值计算模型并将其转化成线性模型，通过优化算法得到待解参数，并根据最优值重构光谱信息实现对红外探测器输出的探测积分信号进行去噪与解调，获得分子的红外光谱吸收信号。根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测。

13、进一步地，所述介质超表面的超表面结构采用周期性阵列结构，在芯片的横切方向上呈矩形、圆形、蝴蝶结形、双蝴蝶结形、同心环型或十字架形等不同结构形状，可以通过电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、紫外光刻、激光直写等光刻技术，结合电子束蒸镀、磁控溅射、热蒸镀等方法得到，超表面结构的尺寸和周期范围为0.1μm~1μm，超表面结构的厚度范围为20~100nm。

14、进一步地，所述石墨烯/氮化硼异质结，是将氮化硼薄膜与石墨烯薄膜在垂直方向上多层叠加，叠加层数为1~5层，氮化硼位于异质结底层与纳米间隙层接触，石墨烯位于异质结顶层，与源极漏极接触导通，可以通过机械剥离工艺或者化学气相沉积法制备获得，所述异质结薄膜的层数可以通过多次转移方式实现。

15、进一步地，所述位于石墨烯/氮化硼异质结与介质超表面间的纳米间隙层，厚度范围为2-20nm， 材料为红外透明材料，选自：al2o3，kbr，mgf2，caf2，baf2，agcl，znse，sio2。

16、进一步地，所述位于红外探测器上电介质层的厚度范围为100-500nm，用于保护红外探测器裸片，所述电介质层的材料为红外透明材料，选自：al2o3，kbr，mgf2，caf2，baf2，agcl，znse，sio2。

17、相对于现有技术，本发明具有如下优点：

18、第一，石墨烯是单层碳原子构成的二维电子气材料，在红外波段支持表面等离激元的传播，通过调节其谐振波长与待测分子的振动频率相一致，可以极大增加痕量分子与光的相互作用。同时，石墨烯具有很大的比表面积和很好的生物兼容性，能够有效地将生物分子吸附在石墨烯表面。

19、第二，本发明利用石墨烯/氮化硼异质结与介质超表面复合的方式，有效避免了石墨烯纳米图形化引入的大量边界和缺陷，提升石墨烯自由载流子的寿命，从而提升石墨烯表面等离激元的寿命，有效降低光学损耗。与如图5所示，采用石墨烯/氮化硼异质结后能够激发更低低损耗的表面等离激元模式，获得激发效率更高线宽更窄的等离激元谐振峰，从而能够在应用时提高表面等离激元谐振模式与分子振动模式的耦合效率，提升检测灵敏度。

20、第三，本发明设计的石墨烯/氮化硼异质结、纳米间隙层以及介质超表面三者复合形成可调谐等离激元波导谐振器，能够获得线宽更窄的等离激元谐振峰，通过施加外部偏置电压实现对石墨烯表面电导率的调节，能够对石墨烯表面等离激元谐振波长进行宽波段动态调谐，以实现红外波段的窄带滤波。

21、第四，现有的石墨烯表面等离激元通常需要与傅里叶红外光谱仪联用以获得分子的红外吸收光谱信号，由于传统傅里叶红外光谱仪存在体积大、重量大、价格昂贵等缺点，阻碍了该技术从实验室抽样分析走向现场快速检测。为了解决该难题，本发明提出了可调谐表面等离激元波导谐振器与红外探测器单片集成结构，不依赖传统光学干涉结构、频率扫描及分光部件，构建增强及探测一体化红外光谱芯片，极大增强分子红外吸收光谱信号，在同一器件上实现“光谱增强”及“光谱探测”。本发明可以通过外电场调控谐振器谐振峰实现波长扫描，通过光谱重构算法对探测积分信号进行去噪与解调，获得分子的红外光谱吸收信号，即可实现分子检测，无需使用传统傅里叶红外光谱仪，可面向现场快速检测。

22、可见，本发明能够同时实现分子红外吸收信号的“光谱增强”及“光谱探测”，并具有灵敏度高，宽波段动态可调谐，体积小，易集成等优点，具有广泛的应用前景。