CN106197687A - 一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计，包括如下结构：包括衬底；所述衬底中部开设凹槽，所述凹槽上方悬空设置有石墨烯量子点，所述石墨烯量子点通过石墨烯条带连接，所述石墨烯条带两端延伸出石墨烯薄膜覆盖于凹槽两侧的衬底上形成石墨烯电极。所述的微测辐射热计的主要特征是通过微纳加工技术形成悬空岛状石墨烯量子点阵列，利用凹槽悬空带来的隔热效应增大相同入射光功率下的器件温度变化，利用量子化石墨烯带来器件电阻温度系数提升，基于微测辐射热计原理实现光电探测。由于石墨烯材料在红外波段的吸收特性，本发明提供的微测辐射热计可用于中远红外及太赫兹波段的光电探测，对目前的红外光电探测器提供新颖的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于中远红外及太赫兹光电探测技术领域，涉及一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计用于光电探测。
背景技术
红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件,由于具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于军事、气象、工业、农业和林业、环境科学、公安保障以及医疗诊断等领域。
在中远红外及太赫兹波段，由于光子能量的限制，光子型光电探测器普遍需要冗繁的制冷设备(参加A.Rogalski,“Infrared Detectors for the Future”,ACTA PHYSICAPOLONICA A,3,389,2009)，所以目前的中远红外波段光电探测器主要以微测辐射热计为主。由于电阻温度系数的限制，目前的微测辐射热计主要以氧化钒和非晶硅为主。一方面，氧化钒和非晶硅的电阻温度系数受体材料的限制难以继续提高，另一方面由于光热型光电探测器需要精细的热传导设计，并依赖于半导体工艺实现，氧化钒和非晶硅所增加的半导体工艺的复杂性问题也日趋突出。基于氧化钒和非晶硅材料的微测辐射热计普遍需要基于MEMS工艺的微桥结构，例如姜利军等人于2011年申请的中国专利201110069273.8“一种非制冷红外探测器”，就描述一种基于MEMS工艺加工的微桥结构，用于微测辐射热计。这些微桥结构的主要作用是隔热，使得氧化钒和非晶硅等光响应材料产生的热量很难通过衬底传导，从而提升局域温度，提高光学信号探测水平。一些新的材料比如碳基材料也已经被用于微测辐射热计的结构中，例如蒋亚东等人于2010年申请的中国专利201010208522.2“一种非制冷微测辐射热计及其制备方法”，将碳纳米管材料引入到氧化钒基材中形成符合薄膜，其主体功能仍基于微桥结构。然而，这些微桥结构的引入，大大增加了工艺的复杂性，而且微桥本身的应力匹配也对探测器的长期使用造成隐患。
石墨烯材料是新兴的二维材料，其零带隙特性可以用于中远红外光电探测，其超高载流子迁移率为提高光感应度实现室温探测器提供了光明前景。基于石墨烯的光电探测器主要分为光子型和光热型。在光子型方面，基于石墨烯的光电探测器已经可以实现超过1.0E+9A/W的响应度，但是主要集中在可见光波段，较难用于中远红外波段。在光热型方面，石墨烯的薄层特性和相对较弱的声子-电子相互作用，使得石墨烯材料的光生载流子温度变化较大，但是正是因为声子-电子的作用很弱，所以电阻温度系数较小，需要采取特殊手段提升电阻温度系数。根据文献(参见J.Yan，M-H.Kim,et al.,“Dual-gated bilayergraphene hot-electron bolometer”,Nature Nanotechnology，7,472,2012)的报道，通过采用双层石墨烯作为光响应单元的测辐射热计，已经实现了高达22kΩ/K的电阻温度系数，然而工作工作限制在小于10K。在专利方面，目前基于石墨烯材料的光电探测器主要以光子型为主，例如刘忠范等人于2015年申请的中国专利“一种基于扭转双层石墨烯的光电探测器及其制备方法”CN201510078677.1，而基于光热型尤其是基于石墨烯的微测辐射热计的专利保护相对较少。
总的来说，目前，石墨烯用于微测辐射热计的一个主要障碍在于如何进一步提升石墨烯材料的电阻温度系数并限制石墨烯的热传导，提高其对光热效应的敏感度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计，用于中远红外波段和太赫兹波段的光信号探测。
本发明拟解决的主要问题是，如何设计衬底和石墨烯结构，抑制石墨烯热传导并提升石墨烯材料的电阻温度系数。设计的关键点在于避开复杂的MEMS微桥工艺，利用单层石墨烯材料受限的热传导能力和极佳的电学传导能力，通过在对石墨烯材料进行量子化提升电阻温度系数。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计，包括衬底；所述衬底中部开设凹槽，所述凹槽上方悬空设置有石墨烯量子点，所述石墨烯量子点通过石墨烯条带连接，所述石墨烯条带两端延伸出石墨烯薄膜覆盖于凹槽两侧的衬底上形成石墨烯电极。
作为优选，所述石墨烯量子点为量子点阵列，与之配合，多条石墨烯条带平行设置。
作为优选，所述石墨烯电极上设置金属电极。所述金属电极并未完全覆盖石墨烯电极。
作为优选，所述衬底包括但不限于绝缘衬底或者覆盖有绝缘层的导电衬底。
作为优选，所述石墨烯量子点可以包含1-5层石墨烯。
作为优选，所述石墨烯条带为多条。
作为优选，所述石墨烯量子点直径小于50纳米；所述石墨烯条带宽度小于20纳米、长度介于10纳米-200纳米之间。
本发明的另一个目的在于提供一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)凹槽腐蚀：在衬底上形成凹槽，同时形成光刻标记用于后续石墨烯条带化及金属电极制备的光学套刻；
(2)石墨烯微米级条带化：将石墨烯薄膜覆盖到衬底上；利用光刻和氧等离子体刻蚀技术，形成石墨烯条带；
(3)通过微纳技工技术加工，在凹槽上方形成石墨烯量子点，并与石墨烯条带连接。
作为优选，步骤(1)所述凹槽采用光刻+刻蚀工艺在衬底上制备。
作为优选，步骤(2)的制备方法包括：以表面平整的铜箔作为基底，在其正反两面生长石墨烯薄膜；以有机光刻胶作为支撑体将铜箔上的石墨烯薄膜转移到已经刻蚀好凹槽的衬底上。进一步优选，石墨烯通过但不限于以下方式制备，化学气相沉积(CVD)的方式生长，并通过湿法转移到衬底上。更优选，所述的转移过程可以重复1-4次，即最终的石墨烯量子点可以包含1-5层石墨烯；更优选，所述有机光刻胶为PMMA胶。
作为优选，本发明的方法还包括制备金属电极：利用光刻技术在底层石墨烯表面进行电极图形化，通过镀膜机沉积金属并结合剥离工艺，可以形成金属电极。
本发明的主要结构包括衬底、悬空凹槽、石墨烯量子点、石墨烯条带连接以及金属电极。关键工艺技术包括石墨烯量子点加工、石墨烯条带连接加工、石墨烯纳米结构的悬空等。本发明所使用的石墨烯通过CVD方式生长，并利用湿法转移到硅片衬底上，利用传统的光刻刻蚀工艺实现石墨烯的微米级条带化，并实现石墨烯的金属电极接触。石墨烯量子点和石墨烯纳米级条带连接可以通过聚焦氦离子束等技术实现。悬空凹槽工艺在石墨烯纳米结构之前形成以避免凹槽腐蚀工艺对纳米结构的破坏，采用阵列结构可提升光电信号的探测能力。通过石墨烯量子点尺寸的设计，该微测辐射热计可实现特定的波长选择性。
本发明的微测辐射热计的主要原理是，利用岛状石墨烯量子点的量子限域效应，提升石墨烯的电阻温度系数；利用量子点下方的悬空结构，最大限度的限制石墨烯量子点的热传导，增大温度变化；利用转移石墨烯工艺，实现与凹槽工艺的兼容，并具有较高的衬底兼容性；基于石墨烯材料在红外波段的吸收特性，本发明的微测辐射热计可以实现中远红外和太赫兹波段微弱光子能量的探测。
本发明提供的微测辐射热计工艺流程简单，避免了复杂的MEMS微桥工艺，充分发挥了石墨烯高电传导和悬空量子点结构受限热传导的优势，并利用阵列结构提高光响应；与半导体工艺的兼容性强，是一种具有实用性，可用于中远红外和太赫兹波段的光电探测器结构。
附图说明
图1是本发明石墨烯量子点微测辐射热计的平面图
图2是本发明石墨烯量子点微测辐射热计的剖面图
附图标记说明
1 石墨烯电极
2 石墨烯量子点
3 石墨烯条带
4 凹槽
5 金属电极一
6 金属电极二
7 衬底
具体实施例
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置，如图1和图2所示。石墨烯量子点微测辐射热计的结构包括：石墨烯电极1、石墨烯量子点2、石墨烯条带3、凹槽4、金属电极5、6以及衬底7。具体实施例如下：
本实施例采取以下具体方案：
1)、衬底7准备：本发明的衬底7一般为绝缘衬底或者覆盖有绝缘层的导电衬底，无其他要求，在本实施例中，采用覆盖有100纳米～500纳米氧化硅的重掺杂硅片作为衬底7。
2)、凹槽4腐蚀：采用光刻+湿法腐蚀工艺，利用稀释的HF酸(HF饱和溶液：H2O＝10:1)刻蚀掉凹槽4区域硅片表面的部分氧化硅，形成凹槽4，之后用丙酮去除光刻胶，其中凹槽4深度为20纳米～200纳米；注意此步还需形成光刻标记用于后续石墨烯条带化及金属电极制备的光学套刻，光刻标记可采用方框+圆环+十字的三级标记体系。
3)、制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方式生长石墨烯薄膜，基底采用表面较为平整的铜箔，原料为分析纯乙醇。在900度～1300高温作用下，乙醇中的碳原子通过在铜衬底上吸附、迁移等过程后沉积在衬底表面形成多晶或者单晶石墨烯薄膜。最终获得的石墨烯薄膜层数控制在1～2层，需注意铜箔正反两面均生长石墨烯薄膜。
4)、石墨烯薄膜转移：利用PMMA胶有机光刻胶作为支撑体，将石墨烯从铜箔上转移到硅片表面。将石墨烯切割成大约所需尺寸(在本实施例中，可选3cm*3cm)，用胶布粘贴到硬质衬底上，比如硅片上，然后将PMMA溶液旋涂至石墨烯表面，转速为2000转～4000转，随后在烘箱中100度烘烤10分钟。将上述旋涂有PMMA的石墨烯和铜箔从硬质衬底上取下后，先利用氧等离子刻蚀去除背面的石墨烯，然后用湿法腐蚀去除铜箔，以FeCl3+HCl溶液(1:1)为刻蚀溶液，反应时间为3小时～12小时。溶铜完成后，利用去离子水反复漂洗，然后将带有PMMA的石墨烯放置到硅片衬底上，等待半小时左右，然后100度后烘10分钟，再将硅片进入丙酮溶液去除PMMA胶，石墨烯转移完成。
5)、石墨烯微米级条带化：利用光刻和氧等离子体刻蚀技术(反应离子刻蚀，刻蚀时间2分钟～5分钟)，形成石墨烯条带，然后用丙酮去除光刻胶。此步骤需要注意石墨烯条带与衬底凹槽4的套刻对准，利用三级对准标记反复对准，对准精度直接影响后续纳米级加工精度。
6)、制备金属电极5：利用光刻技术在底层石墨烯电极1表面进行电极图形化，通过镀膜机沉积金属并结合剥离工艺，可以形成金属电极5，本实施例中采用Cr+Au金属组合，金属厚度可以采用5纳米+45纳米，为了顺利实现剥离工艺，金属采用电子束蒸镀或者热蒸镀制备，且光刻工艺要求有较好的剖面倾角；要注意此步骤的金属电极5要与衬底7光刻标记对准，从而实现金属电极5、石墨烯条带3和凹槽4的对准。
7)、石墨烯量子点2及纳米级条带连接加工：在本实施例中，采用聚焦氦离子束工艺加工上述结构，其中量子点尺寸小于50纳米，可采用但不限于圆形结构；纳米级石墨烯条带3连接段的宽度小于20纳米、长度介于10纳米～200纳米之间。
由于石墨烯量子点的带隙可超过100meV，所以实施例的辐射热计的电阻温度系数预计可以达到30kΩ/K；另一方面，由于凹槽和石墨烯条带的隔热设计，预计工作温度可超过80K。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计，其特征在于，包括衬底；所述衬底中部开设凹槽，所述凹槽上方悬空设置有石墨烯量子点，所述石墨烯量子点通过石墨烯条带连接，所述石墨烯条带两端延伸出石墨烯薄膜覆盖于凹槽两侧的衬底上形成石墨烯电极。
2.根据权利要求1所述的微测辐射热计，其特征在于，所述石墨烯量子点为量子点阵列，同时，多条石墨烯条带平行设置。
3.根据权利要求1或2所述的微测辐射热计，其特征在于，所述石墨烯电极上设置金属电极。
4.根据权利要求1或2所述微测辐射热计，其特征在于，所述衬底包括但不限于绝缘衬底或者覆盖有绝缘层的导电衬底。
5.根据权利要求1或2所述微测辐射热计，其特征在于，所述石墨烯量子点可以包含1-5层石墨烯。
6.根据权利要求1或2所述微测辐射热计，其特征在于，所述石墨烯量子点直径小于50纳米；所述石墨烯条带宽度小于20纳米、长度介于10纳米-200纳米之间。
7.一种基于石墨烯量子点的微测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)凹槽腐蚀：在衬底上形成凹槽，同时形成光刻标记用于后续石墨烯条带化及金属电极制备的光学套刻；
(2)石墨烯微米级条带化：将石墨烯薄膜覆盖到衬底上；利用光刻和氧等离子体刻蚀技术，形成石墨烯条带；
(3)通过微纳技工技术加工，在凹槽上方形成石墨烯量子点，并与石墨烯条带连接。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤(1)所述凹槽采用光刻+刻蚀工艺在衬底上制备。
9.如权利要求7或8所述制备方法，其特征在于，步骤(2)的制备方法包括：以表面平整的铜箔作为基底，在其正反两面生长石墨烯薄膜；以有机光刻胶作为支撑体将铜箔上的石墨烯薄膜转移到已经刻蚀好凹槽的衬底上。
10.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，还包括制备金属电极：利用光刻技术在底层石墨烯表面进行电极图形化，通过镀膜机沉积金属并结合剥离工艺，形成金属电极。
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