CN107561028A - 用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底、反射层、电介质层、石墨烯薄膜、源极与漏极金属层、光栅层，以及待检测物质层；所述衬底和所述反射层作为栅极，所述反射层沉积在所述衬底上，电介质层沉积在反射层上，石墨烯薄膜覆盖于电介质层上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯薄膜上，源极与漏极金属层通过石墨烯导通；所述源极与漏极金属层之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构和金光栅的交替结构；相对于其他低迁移率石墨烯红外等离激元器件结构，本发明可实现完美的红外吸收和极高的局域电磁场增强，提高了红外光谱探测微量物质的效率。

Description

用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件及制备 方法

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，特别涉及一种等离激元表面增强分子红外吸收的金属-石墨烯光栅传感器件及制备方法。

背景技术

红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。

红外光谱技术是一种直接探测分子振动模式实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率高，光谱图库齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。

表面增强红外吸收光谱技术(Surface-Enhanced Infrared Absorption)能够显著增强被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测微量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具。然而目前该技术存在增强波段十分狭窄、探测能力受到极大限制、重复性有待提高的缺陷，不具备微量分子检测的普遍意义。

石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，单层石墨的厚度约0.34nm。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的力学、热学、电学和光学特性，在电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯基光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底、反射层、电介质层、石墨烯薄膜、源极与漏极金属层，以及待检测物质层；

其中，所述衬底和所述反射层作为栅极，所述反射层沉积在所述衬底上，电介质层沉积在反射层上，石墨烯薄膜覆盖于电介质层上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯薄膜上，源极和漏极金属层通过石墨烯导通，反射层与石墨烯之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；

所述源极与漏极金属层之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构，所述石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配；

所述石墨烯周期性纳米结构为由石墨烯薄膜刻蚀成的若干相互平行且互不接触的条带状结构，所述条带状结构的横切面为长方形或者若干个正方形、圆形、三角形组成的结构；优选地，所述石墨烯周期性纳米结构还可以是石墨烯薄膜与电介质层的靠近石墨烯薄膜一侧的下陷凹槽组成的结构，其中电介质层的靠近石墨烯薄膜一侧的下陷凹槽，用于辅助石墨烯薄膜在红外光激发下产生局域等离激元。

优选地，所述衬底的材料为Si，用于作为导电栅极层。

其中，所述反射层，可将透过电介质的红外光反射回去，用于再次激发石墨烯周期性纳米结构边缘局域等离激元。优选地，所述反射层的材料为金、银或金银合金等导电率极高的材料，其厚度范围为50nm～500nm。

所述电介质层的材料为无红外声子干扰的材料，其厚度范围为10nmm～3000nm；优选地，所述电介质层的材料为MgF₂，CaF₂，BaF₂。

优选地，所述源极与漏极金属层的宽度和长度范围为10nm～2×10⁷nm，厚度范围为5nm～3×10⁶nm。所述源极与漏极金属层的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构。

所述源极与漏极金属层之间的局部区域还具有金光栅层，所述金光栅层与石墨烯周期性纳米结构形成交替结构，优选地，所述周期性纳米结构与金光栅层的交替结构间隔范围为5nm～50nm。所述金光栅层设置在条带状石墨烯周期性纳米结构的间隙内，所述若干个金光栅之间互不接触，构成金属-石墨烯光栅层的台阶状结构；优选地，所述金光栅层还可以设置在石墨烯薄膜上，与所述电介质层的凹槽形成交错排列的结构，所述若干个金光栅之间互不接触，构成金属-石墨烯光栅层的台阶状结构。其中，所述金属-石墨烯光栅层的纵向剖面为台阶状结构，光栅层和石墨烯厚度不同，造成了台阶状；单层石墨烯厚度为0.34nm；优选地，所述光栅层的宽度为50nm～1000nm，厚度30nm～300nm，其材料可为金、银以及金银合金等电导率非常高的材料。所述光栅层可利用避雷针效应在光栅层的边缘产生局域增强的电磁场，用于提高激发局域等离激元的效率；其中光栅层的避雷针效应的原理为金光栅之间的棱角结构的局域平行电磁场有助于增强石墨烯吸收。

优选地，所述石墨烯周期性纳米结构和金光栅的交替结构为平行结构，在所述平行结构中，所述金光栅横向切面可为长方形，也可为若干个正方形、圆形、三角形组成的条带结构等结构。在所述平行结构中，其中金光栅还可直接压覆在石墨烯条带上面。

优选地，所述待测物质均匀涂覆在所述金属-石墨烯光栅层的台阶状结构上，涂覆厚度为0.5nm-200nm。

本发明还提供一种用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的制备方法，步骤如下：

(1)制作反射层；

(2)制作电介质层；

(3)制备石墨烯薄膜；

(4)转移石墨烯薄膜；

(5)制备石墨烯周期性纳米结构；

(6)制作源极和漏极金属层与光栅层。

本发明中，在入射光照射下，石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配，在此基础上还利用金光栅层的避雷针效应在金光栅边缘产生局域增强的电磁场来提高激发局域等离激元的效率，通过金反射层将透过电介质的红外光反射回去再次石墨烯周期性纳米结构边缘的局域等离激元。相对于其他低迁移率(<2000cm²/Vs)石墨烯红外等离激元器件结构，本发明可实现完美的红外吸收和极高的局域电磁场增强，极大提高了红外分子探测的效率。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为具有条带状的石墨烯周期性纳米结构的本发明器件的纵向剖面主视图。

图2为具有石墨烯薄膜和凹槽组成的石墨烯周期性纳米结构的本发明器件的纵向剖面主视图。

图3(a)为金光栅层覆盖于条带状石墨烯周期性纳米结构的间隙内的本发明器件的纵向剖面主视图；图3(b)为金光栅层凹陷在条带状石墨烯周期性纳米结构的间隙内的本发明器件的纵向剖面主视图。

图4(a)为本发明中的条带状周期性纳米结构与金光栅的结构示意图，图4(b)为本发明中的条带状周期性纳米结构与金光栅结构纵向剖面放大图。

图5为本发明的石墨烯周期性纳米结构和金光栅的平行交替结构；图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)为石墨烯周期性纳米结构和金光栅的平行交替结构中金光栅横切面的优选结构示意图。

图6为本发明的器件的条带状石墨烯周期性纳米结构的横切面的优选结构示意图。其中图6(a)、图6(b)、图6(c)中条带状石墨烯周期性纳米结构的横切面的优选结构示意图。图7为包含金光栅、具有石墨烯和凹槽组成的石墨烯周期性纳米结构的本发明器件的结构示意图。

图7为具有石墨烯薄膜与电介质层的靠近石墨烯薄膜一侧的下陷凹槽组成的石墨烯周期性纳米结构、包含金光栅的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的纵向剖面主视图。

图8为本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的制备方法流程图。

图9为本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的性能展示。图9a为本发明器件的吸收性能曲线图，图9b为电磁能量增强图，图9c为增强分子耦合信号图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例1

图1为具有条带状的石墨烯周期性纳米结构104a的本发明器件的纵向剖面主视图。

提供一种具有条带状的石墨烯周期性纳米结构，不包含金光栅层的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底101、反射层102、电介质层103、石墨烯薄膜104、源极金属层105a与漏极金属层105b，以及待检测物质层107。

其中，所述衬底101和所述反射层102作为栅极，所述反射层102沉积在所述衬底101上，电介质层103沉积在反射层上，石墨烯薄膜104覆盖于电介质层103上，源极金属层105a与漏极金属层105b沉积在石墨烯薄膜104上，源极金属层105a和漏极金属层105b通过石墨烯导通，反射层102与石墨烯薄膜104之间夹着电介质层103，构成类似平行板电容器结构。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构，所述石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。

所述石墨烯周期性纳米结构为由石墨烯薄膜刻蚀成的若干相互平行且互不接触的条带状结构104a，所述条带状结构104a的横切面为长方形。

在另一优选实施例中，所述条带状结构104a的横切面还可以为若干个正方形、圆形、三角形组成的结构。

所述衬底101的材料为Si，用于作为导电栅极层。

所述反射层102的材料为金，厚度范围为50nm～500nm，可将透过电介质的红外光反射回去，用于再次激发石墨烯周期性纳米结构边缘局域等离激元。

所述电介质层103的材料为CaF₂，其厚度范围为10nm～3000nm。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b的材料为金，宽度和长度范围为10nm～2×10⁷μm，厚度范围为5nm～3×10⁶nm。

实施例2

图2为具有石墨烯薄膜104和凹槽104b组成的石墨烯周期性纳米结构的本发明器件的纵向剖面主视图。

提供一种具有石墨烯薄膜104和凹槽104b组成的石墨烯周期性纳米结构的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底101、反射层102、电介质层103、石墨烯薄膜104、源极金属层105a与漏极金属层105b，以及待检测物质层107。

其中，所述衬底101和所述反射层102作为栅极，所述反射层102沉积在所述衬底101上，电介质层103沉积在反射层102上，石墨烯薄膜104覆盖于电介质层103上，源极金属层105a与漏极金属层105b沉积在石墨烯薄膜104上，源极金属层105a和漏极金属层105b通过石墨烯导通，反射层102与石墨烯薄膜104之间夹着电介质层103，构成类似平行板电容器结构。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构，所述石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。

所述石墨烯周期性纳米结构为石墨烯薄膜104与电介质层103的靠近石墨烯薄膜104一侧的下陷凹槽104b组成的结构；其中电介质层103的靠近石墨烯薄膜104一侧的下陷凹槽104b，用于辅助石墨烯薄膜104在红外光激发下产生局域等离激元。

所述衬底101的材料为Si，用于作为导电栅极层。

所述反射层102的材料为金，厚度范围为50nm～500nm，可将透过电介质的红外光反射回去，用于再次激发石墨烯周期性纳米结构边缘局域等离激元。

所述电介质层103的材料为CaF₂，厚度范围为10nm～3000nm。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b的材料为金，宽度和长度范围为10nm～2×10⁷nm，厚度范围为5nm～3×10⁶nm。

实施例3

图3为包含金光栅层106的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的纵向剖面主视图。

提供一种包含金光栅层106的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底101、反射层102、电介质层103、石墨烯薄膜104、源极金属层105a与漏极金属层105b、金光栅层106以及待检测物质层107。

其中，所述衬底101和所述反射层102作为栅极，所述反射层102沉积在所述衬底101上，电介质层103沉积在反射层102上，石墨烯薄膜104覆盖于电介质层103上，源极金属层105a与漏极金属层105b沉积在石墨烯薄膜104上，源极金属层105a和漏极金属层105b通过石墨烯导通，反射层102与石墨烯薄膜104之间夹着电介质层103，构成类似平行板电容器结构。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b的材料为金，长宽、宽度为500μm，厚度为100nm。所述源极金属层105a与漏极金属层105b之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构，所述石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。

所述衬底101的材料为Si，用于作为导电栅极层。

所述反射层102的材料为金，厚度范围为50nm～500nm，可将透过电介质的红外光反射回去，用于再次激发石墨烯周期性纳米结构边缘局域等离激元。

所述电介质层103的材料为CaF₂，厚度范围为1μm～3μm。

所述源极金属层105a与漏极金属层105b之间的局部区域还具有金光栅层106，所述金光栅层106与石墨烯周期性纳米结构形成平行交替结构，所述金光栅层106设置在条带状石墨烯周期性纳米结构104a的间隙内，所述若干个金光栅106之间互不接触，构成金属-石墨烯光栅层的台阶状结构；所述待测物质层107均匀涂覆在所述金属-石墨烯光栅层的台阶状结构上，涂覆厚度为6nm-200nm。

图4(a)为本发明中的条带状周期性纳米结构104a与金光栅层106的结构示意图，参见图4(a)，所述石墨烯周期性纳米结构为由石墨烯薄膜刻蚀成的若干相互平行且互不接触的条带状结构104a；所述条带状周期性纳米结构104a与金光栅层106的交替结构间隔范围为5nm～50nm。

图4(b)为本发明中的条带状周期性纳米结构104a与金光栅层106结构纵向剖面放大图。参见图4，所述金属-石墨烯光栅层的纵向剖面为台阶状结构，金光栅层106和石墨烯薄膜104厚度不同，造成了台阶状；单层石墨烯厚度为0.34nm；所述金光栅层106的材料为金，宽度为50nm～1000nm，厚度30nm～300nm。所述金光栅层106可覆盖于条带状石墨烯周期性纳米结构104a的间隙内，如图3(a)所示：在另一优选实施例中，所述金光栅层106还可以凹陷在条带状石墨烯周期性纳米结构104a的间隙内，如图3(b)所示。

在另一优选实施例中，所述光栅层106的宽度为50nm～1000nm，厚度30nm～300nm，其材料可为金、银以及金银合金等电导率非常高的材料。在上述台阶状结构中，所述光栅层106可利用避雷针效应在光栅层106的边缘产生局域增强的电磁场，用于提高激发局域等离激元的效率；其中光栅层106的避雷针效应的原理为金光栅之间的棱角结构的局域平行电磁场有助于增强石墨烯吸收。

对上述具体参数进行设置后进行实验，根据测量电学特性转移曲线可计算得出微加工后石墨烯的低迁移率，本实施例利用有限元理论仿真器件在石墨烯低迁移率为1000cm²/Vs情况下，计算得知：本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件器件可以达到近似全部吸收，进一步验证了本发明中所述器件结构的优越性。

图5为条带状石墨烯周期性纳米结构104a和金光栅层106的平行交替结构中金光栅层106横切面的优选结构。所述条带状石墨烯周期性纳米结构104a和金光栅层106的交替结构为平行结构，在所述平行结构中，所述金光栅层106横向切面可为长方形如图4(a)所示，所述金光栅层106横向切面也可为若干个正方形、圆形、三角形组成的条带结构等结构，如图5(b)、图5(c)、图5(d)所示。在所述平行结构中，其中金光栅层106还可直接压覆在条带状石墨烯周期性纳米结构104a上面，如图5(a)所示。

图6为具有条带状石墨烯周期性纳米结构104a和金光栅层106的平行交替结构的本发明器件的条带状石墨烯周期性纳米结构104a横切面的优选结构，所述条带状石墨烯周期性纳米结构104a横切面可为长方形结构，如图4(a)所示，所述条带状石墨烯周期性纳米结构104a横切面还可为正方形、圆形、三角形等结构，分别如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示。

在另一优选实施例中，图7为具有石墨烯薄膜104与电介质层103的靠近石墨烯薄膜104一侧的下陷凹槽104b组成的石墨烯周期性纳米结构、包含金光栅层106的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的纵向剖面主视图，所述石墨烯周期性纳米结构还可以为石墨烯薄膜104与电介质层103的靠近石墨烯薄膜104一侧的下陷凹槽104b组成的结构；其中电介质层103的靠近石墨烯薄膜104一侧的下陷凹槽104b，用于辅助石墨烯薄膜104在红外光激发下产生局域等离激元。

实施例4

图8为本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的制备方法流程图。参见图8，本发明还提供一种用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的制备方法，步骤如下：

(1)制作反射层102：利用电子束蒸镀、原子层沉积或分子束外延生长的方法在衬底101上制备金属反射层102，其中衬底101的材料为硅片(Si)。

(2)制作电介质层103：利用电子束蒸镀、原子层沉积或分子束外延生长的方法在反射层102上制备电介质层103薄膜作为无红外活性的介电基底。

在另一优选实施例中，利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀法在制备好的平整的电介质层103上制作周期性的凹槽104b，其厚度范围10nm～1000nm。所述电介质层的凹槽与石墨烯薄膜构成石墨烯周期性纳米结构，用于辅助石墨烯薄膜在红外光激发下产生局域等离激元。

(3)制备石墨烯薄膜104：通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法获取石墨烯薄膜104。

(4)转移石墨烯薄膜104：将剥离的石墨烯薄膜104转移到上述制备的电介质层103上。

(5)制备条带状石墨烯周期性纳米结构104a：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备条带状石墨烯周期性纳米结构104a。

(6)制作源极金属层105a和漏极金属层105b与光栅层106：利用紫外光刻、电子束曝光、电子束蒸镀或热蒸镀或磁控溅射或分子束外延生长的方法制备源极电极、漏极电极和光栅层106。

将所述待测物质置于所述制备好的器件上，即待检测物质层107均匀涂覆在金属-石墨烯光栅层的台阶状结构上，涂覆厚度为0.5nm～200nm。

下面为对本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件进行仿真实验与计算，进一步验证本发明所述器件的性能。

图9为本发明的用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件的性能展示。本发明采用仿真实验计算，设定的待测物质层107涂覆厚度为8nm，分子红外指纹振动信号强度大约0.093％。其中，所述仿真计算是基于有限元理论基础进行的，石墨烯费米能0.3eV，迁移率1000cm²/Vs，图9a为本发明器件的吸收性能曲线图，吸收率最高可达接近99％，其中石墨烯等离激元吸收达到98％。参见图9a，具体计算吸收如下：

整个器件吸收：A＝1-R，其中A为吸收，R为反射

其中石墨烯条带吸收计算公式：

公式(1)中ε₀是自由空间中介电常数，ω是入射光圆频率，ε″(ω)是石墨烯介电函数虚部，E是石墨烯周围电场强度，^w代表石墨烯功耗密度。

公式(2)中，分母代表的是入射光功率，E0代表的是入射光的电场强度，c₀是自由空间光速，S是入射面面积，A'代表石墨烯的吸收。

其他部分吸收(比如衬底101和金光栅层106)用A-A'计算得到。

图9b是仿真计算后得到电磁场能量的增强图，可实现增强4～5个数量级，其计算公式为(E/E₀)²。

图9c为增强分子耦合信号，增强倍数可达到大约332倍。参见图9c，其中分子信号用洛伦兹模型去仿真PEO(浓度为1.66×10^-4mol/m³)分子中CH₂的反对称弯曲振动模式，

其中ε_∞是背景的介电常数，N_m是分子偶极的体密度,e是电荷常量,m_e是电子质量,ω_m是分子振动频率,γ_m是分子振动衰减.(具体仿真模拟参数：N_m＝1.66×10^-4mol/m³,ω_m＝1342cm^-1,γ_m＝12cm^-1和ε_∞＝1.05)，计算得到分子信号强度大约0.093％，图9c中为将分子信号放大50倍后的增强分子耦合信号图。其他(structure bare)曲线是单纯计算器件在没有分子覆盖上的石墨烯吸收谱线，相较于图9a中计算区别，是石墨烯费米能此时调为0.375eV，因为分子振动峰位置在1342cm^-1，而石墨烯等离激元吸收谱在图9a中位置是1170cm^-1，偏离较远，然而石墨烯等离激元光谱可以电学可调，即改变费米能，所以在图9c中石墨烯费米能调为0.375eV计算。Structure/molecules是计算覆盖分子后的石墨烯吸收曲线，石墨烯等离激元与分子信号之间增强耦合机制是产生Fano共振，即在分子振动频率位置谱线会产生峰谷，而峰谷强度是增强后分子信号强度。因此通过比值计算，得到分子信号增强大约332倍。

本发明中，在入射光照射下，石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配，在此基础上还利用金光栅层的避雷针效应在金光栅边缘产生局域增强的电磁场来提高激发局域等离激元的效率，通过金反射层将透过电介质的红外光反射回去再次石墨烯周期性纳米结构边缘的局域等离激元。相对于其他低迁移率(<2000cm²/Vs)石墨烯红外等离激元器件结构，本发明可实现完美的红外吸收和极高的局域电磁场增强，极大提高了红外分子探测的效率。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底、反射层、电介质层、石墨烯薄膜、源极电压与漏极金属层，以及待检测物质层；

其中，所述衬底和所述反射层作为栅极，所述反射层沉积在所述衬底上，电介质层沉积在反射层上，石墨烯薄膜覆盖于电介质层上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯薄膜上，源极和漏极金属层通过石墨烯导通，反射层与石墨烯之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；

所述源极与漏极金属层之间的局部区域具有石墨烯周期性纳米结构，所述石墨烯周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生局域等离激元，实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。

2.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯周期性纳米结构为由石墨烯薄膜刻蚀成的若干相互平行且互不接触的条带状结构，所述条带状结构的横切面为长方形或者若干个正方形、圆形、三角形组成的结构。

3.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯周期性纳米结构为石墨烯薄膜与电介质层的靠近石墨烯薄膜一侧的下陷凹槽组成的结构，其中电介质层的靠近石墨烯薄膜一侧的下陷凹槽，用于辅助石墨烯薄膜在红外光激发下产生局域等离激元。

4.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述源极与漏极金属层之间的局部区域还具有金光栅层，其宽度为50nm～1000nm，厚度30nm～300nm；所述金光栅层与石墨烯周期性纳米结构形成交替结构，所述周期性纳米结构与金光栅层的交替结构间隔范围为5nm～50nm。

5.根据权利要求4所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述金光栅层设置在条带状石墨烯周期性纳米结构的间隙内，所述若干个金光栅之间互不接触，构成金属-石墨烯光栅层的台阶状结构。

6.根据权利要求4所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述金光栅层设置在石墨烯薄膜上，与所述电介质层的凹槽形成交错排列的结构，所述若干个金光栅之间互不接触，构成金属-石墨烯光栅层的台阶状结构。

7.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，

所述衬底的材料为Si，用于作为导电栅极层；

所述反射层的材料为金、银、金银合金或导电率极高的材料，厚度范围为50nm～500nm；

所述电介质层的材料为MgF₂，CaF₂，BaF₂或无红外声子干扰的材料，厚度范围为10nm～3000m；

所述源极与漏极金属层的的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，宽度和长度范围为10nm～2×10⁷nm，厚度范围为5nm～3×10⁶nm。

8.根据权利要求4所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯周期性纳米结构和金光栅的交替结构为平行结构，在所述平行结构中，所述金光栅横向切面为长方形或为若干个正方形、圆形、三角形组成的条带状结构；其中金光栅还可直接压覆在石墨烯条带上面。

9.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述待测物质层均匀涂覆在所述金属-石墨烯光栅层的台阶状结构上，涂覆厚度为0.5nm-200nm。

10.根据权利要求1所述的金属-石墨烯等离激元器件的制备方法，按照如下步骤：

(1)制作反射层：利用电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在衬底上制备金属反射层，其中衬底的材料为硅；

(2)制作电介质层：利用电子束蒸镀、原子层沉积或分子束外延生长的方法在反射层上制备电介质层薄膜作为无红外活性的介电基底；利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制作电介质层凹槽；

(3)制备石墨烯薄膜：通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法获取石墨烯薄膜；

(4)转移石墨烯薄膜：将剥离的石墨烯薄膜转移到上述制备的电介质层上；

(5)制备石墨烯周期性纳米结构：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备石墨烯周期性纳米结构；

(6)制作源极和漏极金属层与光栅层：利用紫外光刻、电子束曝光、电子束蒸镀或热蒸镀或磁控溅射或分子束外延生长的方法制备源极电极、漏极电极和光栅层。