一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及拉曼光谱分子检测技术领域，特别是一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底。
【背景技术】
[0002]印度物理学家拉曼(Raman)在1928年发现了光的非弹性散射效应拉曼散射，单色光照射在分子表面会发生散射，小部分散射光因为会跟分子发生能量交换，光谱的波长会发生改变，这种光谱就是拉曼光谱。光谱中出现的尖锐的峰，表征了化学物质的分子结构特性，具有定性分析和区分相似物质的功能，从而被用作识别鉴定未知化学物的有效方法。常规Ramam散射截面分别只有红外和荧光过程的10_6和10 _14，这种内在低灵敏度的缺陷曾制约了 Ramam光谱应用于痕量检测。为了增强所分析式样的拉曼效应，人们设计和实施了表面增强拉曼光谱技术，使其检测限提高了 4到10个数量级，在痕量化学物质快速检测方面和物质分子结构分析方面显示出越来越巨大的潜力。
[0003]表面增强拉曼散射光谱是一种高灵敏的分析手段，当分子接近粗糙的固体表面或者金银等金属的表面(即基底)时，分子的拉曼散射信号会被放大13-1O6倍，这就是表面增强拉曼散射。实现这一信号增强的重要条件，是要有一个高活性的增强基底。目前，主要通过三种途径来制备增强基底:I)金银电极的粗糙化处理；2)纳米粒子的诱导聚集；3)纳米粒子的有序组装。早期的基底以电化学或其它方法粗糙电极表面为主，增强效果较差。随着纳米技术的发展，不同形貌尺寸的金属和半导体微纳粒子很容易制备，所以增强基底实现了多样化。
[0004]太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1-1OTHz或波长为30_3mm范围内的电磁波。它在长波段与毫米波有重叠，而在短波段，它与红外线有重叠。THz波在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡区域；THz波的光子能量很低，不会对物质产生破坏作用；频谱极宽，覆盖了各种包括凝聚态物质和生物大分子在内的转动和集体振动频率。THz科学技术有很重要的学术研宄价值，在国民经济和国防建设领域有着极其重要的应用前景。由于太赫兹波的频率低于金属的等离子体频率，因此，不同于在光学波段的情形，金属在该波段的表面等离子体具有非常弱的场局部化特性。而半导体的等离子体频率依赖于导带的电子密度，因而在太赫兹波段可以通过掺杂、光激发等手段来调节或控制半导体的表面等离子体特性。
[0005]由于表面增强拉曼散射效应主要是建立在贵金属和半导体微纳颗粒受外界激光照射时产生的表面等离子体效应的基础上，因此获得具有高分布密度、尺寸适合的贵金属和半导体微纳颗粒的表面增强拉曼散射活性基底对获得良好表面增强拉曼散射信号重关重要。本发明中，制作表面增强活性基底的前提是制作半导体膜，其方法主要有金属有机物化学气相沉积法、齒化物化学气相外延法、分子束外延法等。金属有机物化学气相沉积法的特点是先在较低的温度下(500-600°C)生长一层很薄的缓冲层材料，如InP，到较高的温度才生长单晶InP。卤化物化学气相外延法的优点是有较快的生长速率，但生长量子阱或超晶格结构的时候不适合采用该方法。分子束外延法的材料源通常采用所选材料的分子束，石墨烯作为衬底，用氢气和氮气这两种气体的混合作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，能够在衬底上生成InP的分子团，经过衬底表面上的吸附、成核、生长，最终形成InP单晶薄膜。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底，该拉曼散射基底具有成本低廉、制备工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。
[0007]本发明的技术方案:
[0008]一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底，由石墨烯基底和在石墨烯基底上周期性排列的半导体点阵组成，石墨烯基底为边长3微米、厚度0.03微米的长方体；半导体点阵层的材料为InP或InSb，周期性点阵结构的排列形状为正方形，构成半导体点阵的粒子直径为0.6微米，高度为0.05-0.1微米。
[0009]一种所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的制备方法，首先在石墨烯基底表面上应用分子束外延法在500°C温度下、以500nm/h的生长速率生长半导体层；然后在半导体层上应用波长为780nm的飞秒激光近场扫描刻蚀制备出半导体点阵结构。
[0010]本发明的优点是:通过在基底表面上排列周期性半导体点阵结构产生较强的表面增强拉曼散射信号，可以提高灵敏度，降低检出限；在基底上排列半导体点阵结构在半导体制造工艺中是较为成熟的技术，使得太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。
【附图说明】
[0011]图1是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的俯视示意图。
[0012]图2是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的三维立体示意图。
[0013]图中:1.石墨烯基底2.周期性排列的半导体点阵
[0014]图3是该太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底增强因子与激发源频率的关系图。
【具体实施方式】
[0015]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0016]实施例:
[0017]一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底，如图1、2所示，由石墨烯基底I和在石墨烯基底上周期性排列的半导体点阵2组成，石墨烯基底I为边长3微米、厚度0.03微米的长方体；半导体点阵层2的材料为InP，周期性点阵结构的排列形状为正方形，构成半导体点阵的粒子直径为0.6微米，高度为0.05微米，相邻两个圆柱之间的中心距离为0.62微米。激发光沿着与基底平行的方向照射到整个基底上，激发光源为ITHz到1THz频率波段的太赫兹波。
[0018]所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的制备方法，首先在石墨烯基底表面上应用分子束外延法在500°C温度下、以500nm/h的生长速率生长半导体层；然后在半导体层上应用波长为780nm的飞秒激光近场扫描刻蚀制备出半导体点阵结构。
[0019]本发明中应用基于时域有限差分方法的FDTD SOLUT1NS模拟软件初步模拟了太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的场增强情况。由于半导体微纳粒子是周期性排列的，所以模拟的边界条件设置为周期性边界条件。在FDTD初步模拟完成之后，我们应用Matlab对模型的数据进行处理，得到图3所示的增强因子与频率的关系图。
[0020]图3所示为太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底在ITHz到1THz激发光源照射下的拉曼增强因子与激发源频率的关系图，由于设备内存的局限性，无法在FDTD模拟软件中设置更细致的网格划分，所以呈现出来的增强因子比较小，但是实际上的增强因子远大于图3所呈现的。对于发明中所述的太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底，我们可以通过改变石墨烯基底的厚度，半导体微纳粒子的材料选择和粒子的直径、高度以及粒子间距而得到不同的增强因子。
[0021]此实施例中，我们可以得到太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底产生最大增强的对应频率为5.25THz，而且通过我们多次模拟的结果可以发现:使太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底产生最大增强因子的对应频率是比较稳定的，而且会随着基底尺寸的变化而呈现稳定的变化。图3所呈现的增强因子数值比较小是因为模拟设备的局限以及其所呈现的并非是基底中增强因子最大的部分，此太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的实际增强因子可以达到14-1O6量级的大小。
【主权项】
1.一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底，其特征在于:由石墨烯基底和在石墨烯基底上周期性排列的半导体点阵组成，石墨烯基底为边长3微米、厚度0.03微米的长方体；半导体点阵层的材料为InP或InSb，周期性点阵结构的排列形状为正方形，构成半导体点阵的粒子直径为0.6微米，高度为0.05-0.1微米。
2.一种如权利要求1所述太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其特征在于:首先在石墨烯基底表面上应用分子束外延法在500°C温度下、以500nm/h的生长速率生长半导体层；然后在半导体层上应用波长为780nm的飞秒激光近场扫描刻蚀制备出半导体点阵结构。
【专利摘要】一种太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底,由石墨烯基底和在石墨烯基底上周期性排列的半导体点阵组成，石墨烯基底为边长3微米、厚度0.03微米的长方体；半导体点阵层的材料为InP或InSb，周期性点阵结构的排列形状为正方形，构成半导体点阵的粒子直径为0.6微米，高度为0.05-0.1微米。本发明的优点是：通过在基底表面上排列周期性半导体点阵结构产生较强的表面增强拉曼散射信号,可以提高灵敏度,降低检出限；在基底上排列半导体点阵结构在半导体制造工艺中是较为成熟的技术,使得太赫兹波段半导体材料的表面增强拉曼散射基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。
【IPC分类】B81C1-00, G01N21-65
【公开号】CN104865236
【申请号】CN201510200843
【发明人】任广军, 刘迎, 汪亚奇, 谭天波
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月24日