CN106970038A - 具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种新型结构的石墨烯基太赫兹传感器，其包括周期性凹槽，周期性凹槽的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层，在所述氧化物层的表面上形成金属颗粒层，然后将石墨烯层形成在上面，使得形成的太赫兹传感器具有较好的探测效率，背面形成的银层同时起到反射作用以及等离子体激元增强的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
石墨烯最重要的性质之一就是它独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。其电子迁移率可达到2×105cm2/V·s，约为硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，温度稳定性高，电导率可达108Ω/m,面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m2)，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料。比表面积大(2630m2/g)，热导率(室温下是5000W·m-1·K-1)是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜(室温下401W·m·K)的十倍多。极高的强度与柔韧性，室温下最好的导电导热性使得石墨烯成为ITO(氧化铟锡)的理想替代材料，并在柔性导电薄膜材料方面有重要应用。
作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等诸多技术领域有着广阔的应用前景。目前，室温微型的固态太赫兹光源和检测器技术尚未成熟，众多太赫兹发射-探测应用还处于原理演示和研究阶段。室温、高速、高灵敏度的固态太赫兹探测器技术是太赫兹核心器件研究的重要方向之一。
发明内容
为了提高太赫兹传感器的探测效率，通过对结构和材料选择进行同时改进，提供了一种具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，包含：
硅基板，所述硅基板表面形成周期性凹槽，周期性凹槽的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层，在所述氧化物层的表面上形成金属颗粒层；
通过转移法将石墨烯层转移到硅基板具有所述周期性凹槽的一面上；
在石墨烯层两端形成源极和漏极；
在硅基板的背面也形成周期性凹槽，用银填充硅基板背面的凹槽，并且填充完成后用同样的材料形成一层银层；
所述背面的周期性凹槽的长度是正面周期性凹槽的长度的两倍；
所述背面凹槽的深度范围是10-300微米。
进一步地，所述氧化层的厚度为表面凹槽深度的1/4-1/8。
进一步地，所述金属颗粒层的金属为金、银或铜。
进一步地，所述金属颗粒层由纳米级颗粒组成，所述纳米级颗粒的粒径范围是2-15纳米。
进一步地，所述金属颗粒层的总厚度小于50纳米。
进一步地，表面形成的所述周期性凹槽的长度范围是100-500微米。
进一步地，所述硅基板的厚度大于2毫米。
进一步地，所述周期性凹槽之间的间隔范围是100-400微米。
本发明的有益效果在于：提供了一种新型结构的石墨烯基太赫兹传感器，其包括周期性凹槽，周期性凹槽的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层，在所述氧化物层的表面上形成金属颗粒层，然后将石墨烯层形成在上面，使得形成的太赫兹传感器具有较好的探测效率，背面形成的银层同时起到反射作用以及等离子体激元增强的效果。
附图说明
图1为本发明具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明提供一种具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，包含：
硅基板1，所述硅基板1表面形成周期性凹槽2，周期性凹槽2的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层3，在所述氧化物层3的表面上形成金属颗粒层(金属颗粒层未在图中示出)，金属颗粒层形成等离子体激元增强效果，当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
通过转移法将石墨烯层4转移到硅基板1具有所述周期性凹槽2的一面上；
在石墨烯层4两端形成源极5和漏极6；
在硅基板1的背面也形成周期性凹槽2，用银填充硅基板1背面的凹槽，并且填充完成后用同样的材料形成一层银层7，背面的银形成等离子体激元结构，表面等离子激元是一种在金属一介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡,具有近场增强、表面受限、短波长等特性。当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
所述背面的周期性凹槽2的长度是正面周期性凹槽2的长度的两倍；
所述背面凹槽的深度范围是10-300微米。
进一步地，所述氧化层的厚度为表面凹槽深度的1/4-1/8。
进一步地，所述金属颗粒层的金属为金、银或铜。
进一步地，所述金属颗粒层由纳米级颗粒组成，所述纳米级颗粒的粒径范围是2-15纳米。
进一步地，所述金属颗粒层的总厚度小于50纳米。
进一步地，表面形成的所述周期性凹槽2的长度范围是100-500微米。
进一步地，所述硅基板1的厚度大于2毫米。
进一步地，所述周期性凹槽2之间的间隔范围是100-400微米。
提供了一种新型结构的石墨烯基太赫兹传感器，其包括周期性凹槽，周期性凹槽的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层，在所述氧化物层的表面上形成金属颗粒层，然后将石墨烯层形成在上面，使得形成的太赫兹传感器具有较好的探测效率，背面形成的银层同时起到反射作用以及等离子体激元增强的效果。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，包含：
硅基板，所述硅基板表面形成周期性凹槽，周期性凹槽的平面和侧壁上通过表面氧化形成一层氧化物层，在所述氧化物层的表面上形成金属颗粒层；
通过转移法将石墨烯层转移到硅基板具有所述周期性凹槽的一面上；
在石墨烯层两端形成源极和漏极；
在硅基板的背面也形成周期性凹槽，用银填充硅基板背面的凹槽，并且填充完成后用同样的材料形成一层银层；
所述背面的周期性凹槽的长度是正面周期性凹槽的长度的两倍；
所述背面凹槽的深度范围是10-300微米。
2.如权利要求1所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述氧化层的厚度为表面凹槽深度的1/4-1/8。
3.如权利要求2所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述金属颗粒层的金属为金、银或铜。
4.如权利要求3所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述金属颗粒层由纳米级颗粒组成，所述纳米级颗粒的粒径范围是2-15纳米。
5.如权利要求4所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述金属颗粒层的总厚度小于50纳米。
6.如权利要求1所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，表面形成的所述周期性凹槽的长度范围是100-500微米。
7.如权利要求6所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述硅基板的厚度大于2毫米。
8.如权利要求7所述的具有凹槽的石墨烯太赫兹传感器，其特征在于，所述周期性凹槽之间的间隔范围是100-400微米。
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Cited By (2)
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