CN108389930A - 一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 - Google Patents
一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108389930A CN108389930A CN201810113355.XA CN201810113355A CN108389930A CN 108389930 A CN108389930 A CN 108389930A CN 201810113355 A CN201810113355 A CN 201810113355A CN 108389930 A CN108389930 A CN 108389930A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- layer
- flexible
- flexible substrate
- dielectric layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 122
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 118
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 50
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 11
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 11
- 239000010445 mica Substances 0.000 claims description 10
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 9
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 claims description 9
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M caesium bromide Chemical compound [Br-].[Cs+] LYQFWZFBNBDLEO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 6
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 6
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims description 6
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 6
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 5
- IOLCXVTUBQKXJR-UHFFFAOYSA-M potassium bromide Inorganic materials [K+].[Br-] IOLCXVTUBQKXJR-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910001632 barium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 4
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XQPRBTXUXXVTKB-UHFFFAOYSA-M caesium iodide Inorganic materials [I-].[Cs+] XQPRBTXUXXVTKB-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 3
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 3
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- ADZWSOLPGZMUMY-UHFFFAOYSA-M silver bromide Chemical compound [Ag]Br ADZWSOLPGZMUMY-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PGAPATLGJSQQBU-UHFFFAOYSA-M thallium(i) bromide Chemical compound [Tl]Br PGAPATLGJSQQBU-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 2
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 77
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 229910001914 chlorine tetroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- -1 graphite Alkene Chemical class 0.000 description 1
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M perchlorate Chemical compound [O-]Cl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
本发明提供了一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层以及电介质层，石墨烯层覆盖于柔性衬底上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；源极与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构；本发明的柔性石墨烯等离激元器件具有柔性功能，在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能。另外，本发明的柔性石墨烯等离激元器件具有良好的耐用性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外光探测技术领域，特别涉及一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法。
背景技术
石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，单层石墨的厚度约0.35nm。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。
石墨烯这种单原子层的二维材料与微米波长的红外相互作用很弱，因此将其制备为纳米结构以后可以激发石墨烯表面等离激元。这种在石墨烯纳米结构上激发的等离激元具宽波段响应、低本征衰减、高的电磁场束缚效应和高的局域电磁场强度以及可调控的性能等优点，在生物探测、光电探测器、波导器件等领域具有潜在应用价值。
但是，目前的石墨烯等离激元器件均制备在坚硬基底上制备如硅，氮化硅，玻璃等。这些基底不具有柔韧性，难以满足实际应用中弯曲、拉伸、变形甚至可穿戴的需求，限制石墨烯等离激元的应用。
因此，需要一种具有柔性功能、石墨烯等离激元具有可调性的柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层，以及电介质层，所述石墨烯层覆盖于所述柔性衬底上，所述源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述电介质层位于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，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石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构；
其中，所述电介质层可位于石墨烯层上方，构成顶栅结构，所述电介质层还可位于石墨烯层下方，构成底栅结构；
优选地，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；
优选地，所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。
优选地，所述电介质层的材料选自：离子液体、离子凝胶、NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。
优选地，所述台阶状的结构为盲孔或通孔的结构。
优选地，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构。
优选地，所述圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。
优选地，所述电介质层的厚度范围为：10-1000nm。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种柔性石墨烯等离激元器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选择柔性衬底；
步骤二：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；
步骤三：转移石墨烯薄膜将石墨烯转移至柔性衬底上；
步骤四：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀，在石墨烯层上制备周期性微纳米结构；
步骤五：制作源极与漏极金属层，利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备电极；
步骤六：利用电子束蒸镀、原子沉积或旋涂方法制备电介质层；
步骤七：利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备栅极电极；
优选地，步骤一中所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。
优选地，步骤四中所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；所述台阶状的结构为通孔或盲孔的结构。
优选地，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构。
优选地，其中圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。
本发明的石墨烯柔性等离激元器件的有益效果为：
(1)具有柔性功能，可实现一般坚硬基底难以实现的功能如弯曲、扭曲和拉伸功能，可作为非平面的等离激元器件。
(2)在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能。在弯曲半径达到1mm左右，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。理论模拟证实，其稳定性可达到弯曲半径低于100nm。
(3)具有良好的耐用性能，在弯曲半径为3mm左右，弯曲次数达到1000个循环以上，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。
(4)柔性石墨烯等离激元具有可调性，能够在红外检测中实现几何尺寸调控、介电基底调控以及独特的电压调制，结合这几种调制能够实现从近红外到中、远红外波段的区域(400-4000cm-1)的响应。
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示出了本发明的柔性石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图。
图2示出了本发明的石墨烯微纳米结构的纵向剖面放大图。
图3示出了本发明的柔性石墨烯等离激元器件周期性微纳米结构的横向切面图。
图4示出了本发明的柔性石墨烯等离激元器件的优选实施例的结构示意图。
图5示出了本发明的柔性石墨烯等离激元器件的制备方法流程图。
以上所述附图仅为示意性的，并且未按比例画出。
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。
参见图1-图4，为本发明的柔性石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图，本发明提供一种柔性石墨烯等离激元器件，所述柔性石墨烯等离激元器件100包括自下而上依次设置的柔性衬底110、石墨烯层120、电介质层130、源极140与漏极金属层150。所述石墨烯层120覆盖于所述柔性衬底110之上，源极金属层140与漏极金属层150沉积在石墨烯层120上，源极金属层140与漏极金属层150由石墨烯导通，所述电介质层130沉积在石墨烯层120上，如图1、图4所示。
具体地，本发明采用的所述柔性衬底110可以进行弯折、扭曲和拉伸等功能，可以实现等离激元的柔性功能。另外，柔性衬底110在多次弯折以后保持不被破坏，以保证器件的耐用性能。所述柔性衬底110可选用但不限于：(1)塑料聚合物衬底，包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等。(2)无机柔性衬底，包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。参见图4，为本发明的优选实施例，所述柔性衬底110为云母，云母具有优异的柔性性能和和光学透过率(>80％在可见)。特别是，单层的石墨烯可以在云母表面具有原子水平的平整度。此外，云母具有成本低，耐高温和化学惰性表面等优良性能。
石墨烯层120作为所述等离激元器件100的沟道层，所述石墨烯层120可以是单层、两层或两层以上的石墨烯，其覆盖于柔性衬底110之上，并且与源极140和漏极150下表面接触，形成源极140与漏极150金属层间的导电沟道。所述源极金属层140、漏极金属层150对石墨烯沟道加载偏压。在所述电介质层130与石墨烯层120之间接入电压，形成类似电容器结构，能够对石墨烯的沟道进行载流子的调控。根据本发明的一个实施例，所述石墨烯层采用单层石墨烯。
进一步地，所述电介质层130可根据实际需要置于石墨烯层120之上或者之下，当电介质层130置于石墨烯层120之下时，为底栅结构，反之为顶栅结构。具体地，所述电介质层130可选用但不限于以下材料：离子液体、离子凝胶、NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。以上在薄膜形态下均具有一定的柔性性能，且具有良好的透红外光性能(91000-1100nm)。只是NaCl，KBr，CaF2，BaF2，微溶于水的性质会限制其应用。根据本发明的一个实施例，所述电介质层材料为离子凝胶，使得器件结构为顶栅结构。离子凝胶具有良好的柔性且自身化学、物理和热稳定性能良好。另外，离子凝胶中具有可以自由迁移的正离子和负离子，当施加外栅电压时，内部正负离子分离。其中负离子聚集于正极，正离子聚集于负极，这种双电层结构，类似电容器的两端，可以调控石墨烯的载流子浓度，使其具有不同的费米能级。
所述源极140与漏极150金属层分别形成沟道层(即石墨烯层120)的两端，其均以沟道形成电性连接。具体地，所述源极140与漏极150金属层的材料不是限定性的，可选自且不限于金、银、铜、铝、铂、钛等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其厚度为10-1000nm。根据本发明的一个实施例，源极与漏极金属层的材料为金。
所述石墨烯层120上至少源极140与漏极150之间的局部区域的石墨烯层上具有周期性微纳米结构。参见图2、图3，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，图2(a)、图2(b)为所述台阶状结构纵向剖面的放大图，其中，图2(a)中的台阶状结构为盲孔121，且此种台阶状结构能够在石墨烯层上产生直角边缘的结构(如图2(a)中122所示位置)，当待测物质160涂在石墨烯微纳米结构上，能够增加与石墨烯结构边缘的接触面积，而边缘处的等离激元能够有效增强待测物质的红外吸收强度。同样的，图2(b)中的台阶状结构为通孔123，其同样也能产生直角边缘的结构(如图2(b)中124所示位置)。当待测物质160涂在石墨烯微纳米结构上，这些台阶状结构的边缘可以在红外光激发下产生局域等离激元，并且能够增加与石墨烯结构边缘的接触面积，而边缘处的等离激元能够有效增强待测物质的红外吸收强度。根据本发明的优选实施例，所述周期性微纳米结构为石墨烯纳米条带结构。
图3为本发明的柔性石墨烯等离激元器件周期性微纳米结构的横向切面图。所述台阶状结构在石墨烯等离激元器件的横切方向上呈圆环(如图3a所示)、圆形(如图3b所示)、椭圆形(如图3c所示)、三角形(如图3d所示)、正六边形(如图3e所示)、长方形(如图3f所示)、五角形(如图3g所示)的结构，这些结构的直径范围为10-1000nm。如图3(a)所示，圆环状通孔123-1为在石墨烯层120上刻蚀圆环状通孔的横切面，以形成石墨烯微纳米结构。在这些结构的边缘能够产生等离激元，待测材料160的分子振动在等离激元的强局域电磁场作用下获得增强，进而增强待测材料160的红外吸收。
图4为本发明的柔性石墨烯等离激元器件的优选实施例的结构示意图。其中，所述柔性衬底的材料为云母，电介质层的材料选用为离子凝胶，所述电介质层位于石墨烯层之上，构成顶栅结构。
参见图5，为本发明的石墨烯柔性等离激元器件制备方法流程图；本发明还提供一种柔性石墨烯等离激元器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选择柔性衬底；具体地，所述柔性衬底为可被中红外线和原红外线穿透的材料，用于为石墨烯沟道层的红外检测提供条件。所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。
步骤二：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；
步骤三：转移石墨烯薄膜将石墨烯转移至柔性衬底上；
步骤四：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀，在石墨烯层上制备周期性微纳米结构；所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；所述台阶状的结构为通孔或盲孔的结构。
所述周期性微纳米结构的横截面为圆环、圆孔、椭圆孔、三角形孔、正六边形孔、长方形孔、五角星孔的结构；进一步地，其中圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。
步骤五：制作源极与漏极金属层，利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备电极；如图1所示，源极140漏极150被同时构图形成，源极140漏极150均可以与石墨烯形成欧姆接触。
步骤六：制备电介质层，利用电子束蒸镀、原子沉积或分子束外延生长的方法在所述柔性衬底上制备电介质层薄膜，所述电介质层薄膜厚度为10-1000nm。
具体地，所述顶栅结构的介电层采用离子凝胶，所述离子凝胶由高氯酸锂和PEO两种成分组成，其中高氯酸锂提供可移动的正离子(Li+)和负离子(ClO4 -),PEO提供供离子迁移的空间网状结构。
步骤七：利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备栅极电极；
根据本发明的另一优选实施例，所述电介质层还可以置于石墨烯层120之下时，为底栅结构，此步骤在步骤一之后进行。将电介电层置于衬底和石墨烯层之间，相应的底栅电压加载于底栅和石墨烯之上，电介电层夹在底栅和石墨烯之间形成类似平行板电容器结构。
本发明的柔性石墨烯等离激元器件经测试，结果表明：在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能；在弯曲半径达到1mm左右，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。通过理论模拟证实：其稳定性可达到弯曲半径低于100nm。在弯曲半径为3mm左右，弯曲次数达到1000个循环以上，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。
本发明的柔性石墨烯等离激元器件具有柔性功能，可作为非平面的等离激元器件，实现一般坚硬基底难以实现的功能如弯曲、扭曲和拉伸功能；在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能。同时，本发明的柔性石墨烯等离激元具有可调性，能够在红外检测中实现几何尺寸调控、介电基底调控以及独特的电压调制，结合这几种调制能够实现从近红外到中、远红外波段的区域(400-4000cm-1)的响应；另外，本发明的柔性石墨烯等离激元器件具有良好的耐用性能。
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)
1.一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层，以及电介质层，所述石墨烯层覆盖于所述柔性衬底上，所述源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述电介质层位于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，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石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构。
2.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述电介质层位于石墨烯层上方，构成顶栅结构，或者所述电介质层位于石墨烯层下方，构成底栅结构。
3.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，所述台阶状的结构为盲孔或通孔的结构。
4.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物。
5.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述电介质层的厚度范围为10-1000nm，材料选自：离子液体、离子凝胶、NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。
6.根据权利要求3所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构；所述圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。
7.一种柔性石墨烯等离激元器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选择柔性衬底；
步骤二：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；
步骤三：转移石墨烯薄膜将石墨烯转移至所述柔性衬底上；
步骤四：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀，在石墨烯层上制备周期性微纳米结构；
步骤五：制作源极与漏极金属层，利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备电极；
步骤六：利用电子束蒸镀、原子沉积或旋涂方法制备电介质层；
步骤七：利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备栅极电极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于,步骤六中所述电介质层置于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；或者所述电介质层还可置于石墨烯的下方，电介电层置于柔性衬底和石墨烯层之间，电介电层夹在底栅和石墨烯之间形成类似平行板电容器结构，此步骤在步骤一之后进行。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于,步骤一中所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于,步骤四中所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；所述台阶状的结构为通孔或盲孔的结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810113355.XA CN108389930B (zh) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | 一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810113355.XA CN108389930B (zh) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | 一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108389930A true CN108389930A (zh) | 2018-08-10 |
| CN108389930B CN108389930B (zh) | 2020-07-31 |
Family
ID=63075053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810113355.XA Active CN108389930B (zh) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | 一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108389930B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108981976A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-11 | 深圳大学 | 一种柔性电容式应力传感器芯片及其制备方法 |
| CN110944414A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-03-31 | 珠海烯蟀科技有限公司 | 一种微晶玻璃或云母片发热装置及其电极连接方法 |
| CN112071205A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-11 | 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 | 一种粘结结构及其制备方法、盖板及其制备方法 |
| CN114486802A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-05-13 | 国家纳米科学中心 | 一种探测水溶液中蛋白质二级结构的等离激元增强红外光谱传感器及其制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184858A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-09-14 | 复旦大学 | 一种石墨烯场效应晶体管的制备方法 |
| CN103117316A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-05-22 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用 |
| CN104766902A (zh) * | 2014-06-16 | 2015-07-08 | 南京大学 | 基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管 |
| CN105023969A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-11-04 | 上海电力学院 | 一种基于金属纳米结构的光吸收增强型石墨烯晶体管 |
| CN105352906A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-02-24 | 国家纳米科学中心 | 石墨烯等离激元增强红外光谱探测的谱线峰值分离方法 |
| CN105355702A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-02-24 | 国家纳米科学中心 | 用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件及制备方法 |
| CN105403528A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-16 | 国家纳米科学中心 | 石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法 |
-
2018
- 2018-02-05 CN CN201810113355.XA patent/CN108389930B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102184858A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-09-14 | 复旦大学 | 一种石墨烯场效应晶体管的制备方法 |
| CN103117316A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-05-22 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用 |
| CN104766902A (zh) * | 2014-06-16 | 2015-07-08 | 南京大学 | 基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管 |
| CN105023969A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-11-04 | 上海电力学院 | 一种基于金属纳米结构的光吸收增强型石墨烯晶体管 |
| CN105352906A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-02-24 | 国家纳米科学中心 | 石墨烯等离激元增强红外光谱探测的谱线峰值分离方法 |
| CN105355702A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-02-24 | 国家纳米科学中心 | 用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件及制备方法 |
| CN105403528A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-16 | 国家纳米科学中心 | 石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108981976A (zh) * | 2018-08-14 | 2018-12-11 | 深圳大学 | 一种柔性电容式应力传感器芯片及其制备方法 |
| CN110944414A (zh) * | 2019-10-21 | 2020-03-31 | 珠海烯蟀科技有限公司 | 一种微晶玻璃或云母片发热装置及其电极连接方法 |
| CN112071205A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-12-11 | 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 | 一种粘结结构及其制备方法、盖板及其制备方法 |
| CN114486802A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-05-13 | 国家纳米科学中心 | 一种探测水溶液中蛋白质二级结构的等离激元增强红外光谱传感器及其制备方法 |
| WO2023151225A1 (zh) * | 2022-02-10 | 2023-08-17 | 国家纳米科学中心 | 一种探测水溶液中蛋白质二级结构的等离激元增强红外光谱传感器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108389930B (zh) | 2020-07-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108389930A (zh) | 一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法 | |
| CN105355702B (zh) | 用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件及制备方法 | |
| Pak et al. | Palladium-decorated hydrogen-gas sensors using periodically aligned graphene nanoribbons | |
| CN107561028B (zh) | 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 | |
| Jang et al. | Fabrication of metallic nanomesh: Pt nano-mesh as a proof of concept for stretchable and transparent electrodes | |
| Atta et al. | Influence of ion irradiation on the surface properties of silver-coated flexible PDMS polymeric films | |
| US10626279B2 (en) | Composition, substrates and methods thereof | |
| KR101878600B1 (ko) | 광학 바이오센서를 위한 주기적 금속 나노 패턴의 제조 방법 | |
| JP2011121828A (ja) | グラフェン構造体、グラフェン構造体の製造方法、及び電子デバイス | |
| Tiefenauer et al. | Fast and versatile multiscale patterning by combining template-stripping with nanotransfer printing | |
| Tan et al. | Electrowetting on dielectric experiments using graphene | |
| CN111025690B (zh) | 一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件及制备方法 | |
| Xu et al. | Transparent and flexible tactile sensors based on graphene films designed for smart panels | |
| Schedl et al. | Controlled wrinkling of gradient metal films | |
| Yilmaz et al. | High-rate assembly of nanomaterials on insulating surfaces using electro-fluidic directed assembly | |
| Li et al. | Flexible VO2 films for in‐sensor computing with ultraviolet light | |
| CN105403528A (zh) | 石墨烯等离激元增强红外光谱探测的电学原位扣背景方法 | |
| CN103043596A (zh) | 具有微米与纳米复合阵列结构的柔性材料及其制备方法和用途 | |
| Wang et al. | Photocurrent generation of a single-gate graphene p–n junction fabricated by interfacial modification | |
| CN114447619A (zh) | 一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器及其制备方法 | |
| Li et al. | Two‐Inch Wafer‐Scale Exfoliation of Hexagonal Boron Nitride Films Fabricated by RF‐Sputtering | |
| KR20160004846A (ko) | 은 나노와이어 패턴층 및 그래핀층을 포함하는 투명전극 및 그 제조방법 | |
| KR20170095054A (ko) | 유연한 메탈 투명전극 및 그 제조방법 | |
| Ray et al. | Aspect ratio dependent cold cathode emission from vertically aligned hydrophobic silicon nanowires | |
| Jung et al. | Ag nanodot array as a platform for surface-enhanced Raman scattering |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |