CN107490730A - 基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用，所述的探测器包括Si/SiO₂衬底、设在Si/SiO₂衬底上的石墨烯和设在石墨烯上的金属电极；所述的Si/SiO₂衬底由底部的Si和Si上方的SiO₂组成；所述的Si是轻掺杂Si衬底，电阻率为1‑100 Ω cm；所述的SiO₂的厚度为50‑500 nm；所述的石墨烯是单层、双层或3‑10层的少层石墨烯；所述的金属电极为金、镍或铂。本发明的有益效果如下：本发明的基于石墨烯的探测器的新用途，其作为非接触式静电探测器，可以提高现有静电探测器探测微弱静电信号的能力。

Description

基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用

技术领域

本发明涉及基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用，本发明属电子器件领域。

背景技术

静电探测是将周围电场作为探测源对目标进行探测的一种方法，任何物体在移动时都会因为各种不同的带电过程而带上静电，因而通过静电实现对物体的探测是灵敏高效的。常规的静电探测分为接触式和非接触式，前者主要适用于静电导体或静电亚导体的电位测量，后者用于静电非导体的电位测量，适用范围更广。最常见的非接触式静电探测器是直接感应式电位测量，即通过静电感应使测量探头和被测物体形成电容，进而通过测量探头感应的电位的大小探测出被测物体的静电参数。

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的一种新型二维半导体材料，由于其超高的迁移率使其在高灵敏探测领域具有得天独厚的优势，目前，石墨烯在分子，气体，压力等方面均实现了高灵敏探测，所以石墨烯在未来的新型灵敏探测器具有广阔的前景。

基于上述背景，本发明提出一种基于石墨烯的非接触式静电探测器。

发明内容

本发明提出基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用。以解决现有静电探测器最小探测极限电位高的问题。

本发明的技术方案如下：

基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用，所述的探测器包括Si/SiO₂衬底、设在Si/SiO₂衬底上的石墨烯和设在石墨烯上的金属电极；

所述的Si/SiO₂衬底由底部的Si和Si上方的SiO₂组成；

所述的Si是轻掺杂Si衬底，电阻率为1-100 Ω cm；

所述的SiO₂的厚度为50-500 nm；

所述的石墨烯是单层、双层或3-10层的少层石墨烯；

所述的金属电极为金、镍或铂。

优选地，

所述的Si衬底电阻率为10-75 Ω cm。

所述的SiO₂的厚度为300 nm。

所述的基于石墨烯的探测器的制备方法，包括如下步骤：

1）在Si/SiO₂衬底上通过微机械剥离法或化学气相沉积法制备石墨烯；

2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在石墨烯上沉积两个50 nm厚的金电极。

本发明的基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用的原理如图1所

示，位于SiO₂表面的石墨烯具有静电屏蔽效应，当有静电源在上方靠近时，由于石墨烯的屏蔽效应，下方的Si不受电场的影响，而未被石墨烯覆盖的区域，电场可以穿过SiO₂引起Si中的载流子重新分布。以轻掺杂的N型Si在负的静电场下为例，无石墨烯区域下方Si中的电子受电场排斥作用移动到Si的底部，且有部分电子会移动到石墨烯下方的Si中，后者对石墨烯具有电场调制作用，并引起石墨烯沟道电流的变化，即静电响应。由于石墨烯具有很高的迁移率，载流子在两个电极之间的传输时间极短，而轻掺杂Si的电子寿命较长，导致了该石墨烯探测器具有很高的增益，即使在很弱的静电作用下也可以获得可观的响应。另外，响应的大小主要是与石墨烯下方的载流子的浓度或数量有关。移动到石墨烯下方的电子数量取决于该处电场的强度，所以，该探测器对静电表现出良好的灵敏性。此外，静电源与探测器的距离不同，其静电场也不同，所以该探测器在使用过程中需要固定工作距离。

有益效果：本发明的基于石墨烯的探测器的新用途，其作为非接触式静电探测器，可以提高现有静电探测器探测微弱静电信号的能力。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2为本发明石墨烯器件的光学显微图片。

图3为实施例1中有/无静电场作用时石墨烯器件电流的变化图。

图4为实施例2中有/无静电场作用时石墨烯器件电流的变化图。

图5为实施例3中探测器对不同携带静电物体的静电响应测试结果。

具体实施方式

实施例1

本实施例的非接触式静电探测器，制备过程如下：

1）在带有轻掺杂Si的Si/SiO₂衬底上通过微机械剥离法制备单层石墨烯，Si衬底电阻率为10 Ω cm，SiO₂厚度为300 nm。

2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在石墨烯上沉积两个50 nm厚的金电极（图2）。

3）在距离探测器25 mm处放置负的静电源，在静电源和探测器之间插入一个接地的金属板以控制静电场对探测器的作用，图3展示了有/无静电作用下探测器侧量的电流大小的变化。当探测器处于负静电场作用下时，石墨烯的电流增加，这个增加量是和静电场大小有关的，因此可通过对电流改变的测量得到静电场的强度信息。

实施例2

本实施例的非接触式静电探测器，制备过程如下：

1）在带有轻掺杂Si的Si/SiO₂衬底上通过微机械剥离法制备单层石墨烯，Si衬底电阻率为75 Ω cm，SiO₂厚度为300 nm。

2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在石墨烯上沉积两个50 nm厚的金电极。

3）在距离探测器25 mm处放置负的静电源，在静电源和探测器之间插入一个接地的金属板以控制静电场对探测器的作用，图4展示了有/无静电作用下探测器侧量的电流大小的变化。当探测器处于负静电场作用下时，石墨烯的电流增加。

实施例3

本实施例的非接触式静电探测器，制备过程如下：

1）在带有轻掺杂Si的Si/SiO₂衬底上通过微机械剥离法制备单层石墨烯，Si衬底电阻率为50 Ω cm，SiO₂厚度为300 nm。

2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在石墨烯上沉积两个50 nm厚的金电极。

3）当带有不同极性和数量的静电物体靠近探测器时，探测器表现出不同的静电响应，图5展示了探测器对玻璃棒、手、树脂板、和头发摩擦过的笔与橡胶棒等物体的静电响应。由于玻璃棒、手、PET板易携带正电，当它们靠近时，探测器表现出负的静电响应，反之，对于携带负电的笔和橡胶棒表现出正的响应。而且不同的物体携带的电量不同，其静电响应值也不同，因此该探测器即可以探测静电的极性也可探测静电的大小。

Claims (4)

1.基于石墨烯的探测器作为非接触式静电探测器的应用，其特征在于，所述的探测器包括Si/SiO₂衬底、设在Si/SiO₂衬底上的石墨烯和设在石墨烯上的金属电极；

所述的Si/SiO₂衬底由底部的Si和Si上方的SiO₂组成；

所述的Si是轻掺杂Si衬底，电阻率为1-100 Ω cm；

所述的SiO₂的厚度为50-500 nm；

所述的石墨烯是单层、双层或3-10层的少层石墨烯；

所述的金属电极为金、镍或铂。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的Si衬底电阻率为10-75 Ω cm。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的SiO₂的厚度为300 nm。

4.如权利要求1-3任意一项所述的基于石墨烯的探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在Si/SiO₂衬底上通过微机械剥离法或化学气相沉积法制备石墨烯；

2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在石墨烯上沉积两个50 nm厚的金电极。