CN111610345B - 一种远红外探测器及近场显微镜 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种远红外探测器及近场显微镜，其中，远红外探测器采用石墨烯量子点作为探测元件，石墨烯量子点具有宽频谱光吸收、高电热导率、低电子‑声子耦合等有益特性，可以高效地探测太赫兹信号。此外远红外探测器将石墨烯量子点放置于针尖状结构的底面或靠近底面的侧面上，使得石墨烯量子点的探测效率具有极大的提高，可用于极微弱太赫兹信号的探测，甚至有望能够实现对太赫兹单光子的探测，并且可以极大的缩小整个远红外探测器以及近场显微镜的体积，使得具备远红外探测器的近场显微镜可以放置于十分狭小的空间中(比如低温强磁场环境中)。最后，远红外探测器在使用过程中仅需要固定针尖状结构即可，简化了太赫兹信号的探测流程。

Description

一种远红外探测器及近场显微镜
技术领域
本申请涉及探测器技术领域，更具体地说，涉及一种针尖型远红外探测器及近场显微镜。
背景技术
太赫兹波是指频率为0.1-10THz的电子波，在电磁频谱上接于红外波段和微波波段之间，称为远红外波。
由于太赫兹波的诸多优异特性，例如良好的穿透性、宽的光谱覆盖、皮秒量级的瞬态性以及较低的电离特性等，太赫兹技术为人们对物质的表征和微观操控提供了很大的理论和技术支持，并且在高空间和时间分辨率的探测与成像、大容量与高保密的中短距离通信、射电天文探测、大气与环境监测、生物医学诊断等领域有着重大的应用前景。但长期以来，由于缺乏有效地太赫兹产生和探测的方法，太赫兹技术的应用与推广受到了很大的限制。
太赫兹探测器(或称远红外探测器)是太赫兹技术应用推广的关键器件之一。目前，太赫兹信号的直接测量方法主要有热电探测和光电探测两种。其中，采用热电探测的太赫兹探测器在太赫兹频段响应率较低，响应速度慢，不适用于快速检测的要求。相比较而言，采用光电探测的太赫兹光电探测器具有响应速度快、探测灵敏度高等特点，但传统太赫兹光电探测器暗电流较大，无法实现对微弱太赫兹信号的探测。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种远红外探测器及近场显微镜，所述远红外探测器提高了探测效率、灵敏度，从而实现了对极微弱太赫兹信号的探测，并且所述远红外探测器的结构紧凑，集成度高，在使用过程中仅需要固定针尖状结构即可，简化了太赫兹信号的探测流程。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种远红外探测器，包括：
针尖状结构；
位于所述针尖状结构的侧面或底面的石墨烯量子点；当所述石墨烯量子点位于所述针尖状结构的侧面时，所述石墨烯量子点与所述针尖状结构的底面的距离小于或等于预设距离；
分别与所述石墨烯量子点的两侧对称连接的两个石墨烯电极；
分别与所述石墨烯电极远离所述石墨烯量子点一侧连接的两个金属电极。
可选的，所述石墨烯电极设置于所述针尖状结构的侧面。
可选的，所述石墨烯量子点为单层石墨烯，且所述石墨烯量子点的直径小于100nm。
可选的，所述针尖状结构为棱柱形针尖结构或圆台状针尖结构。
可选的，当所述针尖状结构为棱柱形针尖结构时；
所述棱柱形针尖结构的底面的一个端点为近样品点；
所述棱柱形针尖结构共用所述近样品点的三个表面为底面、第一竖面和第二竖面。
可选的，所述石墨烯量子点位于所述底面；
两个所述石墨烯电极分别设置于所述第一竖面和所述第二竖面。
可选的，所述石墨烯量子点位于所述第一竖面；
两个所述石墨烯电极分别设置于所述第一竖面和所述第二竖面。
可选的，所述石墨烯量子点位于所述第一竖面；
两个所述石墨烯电极均设置于所述第一竖面。
一种近场显微镜，包括聚焦系统、扫描探针显微镜系统以及如上述任一项所述的远红外探测器；其中，
所述远红外探测器固定于所述扫描探针显微镜系统的马达上，所述马达上还固定有所述扫描探针显微镜系统的针尖；
所述聚焦系统用于将光束聚焦至所述扫描探针显微镜系统的样品台上；
在所述扫描探针显微镜系统的扫描过程中，所述远红外探测器位于所述针尖与所述样品台的工作区范围内。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种远红外探测器及近场显微镜，其中，所述远红外探测器采用石墨烯量子点作为探测元件，与传统的半导体材料作为探测元件相比，石墨烯量子点具有宽频谱光吸收、高电热导率、低电子-声子耦合等有益特性，可以高效地探测太赫兹信号，同时保持了极低的噪音等效功率。此外所述远红外探测器将所述石墨烯量子点放置于针尖状结构的底面或靠近底面的侧面上，使得所述石墨烯量子点的探测效率具有极大的提高，可用于极微弱太赫兹信号的探测，甚至有望能够实现对太赫兹单光子的探测。同样由于所述远红外探测器将所述石墨烯量子点放置于针尖状结构的底面或靠近底面的侧面上，可以极大的缩小整个远红外探测器以及近场显微镜的体积，是实现太赫兹物质探测系统微型化和集成化的关键技术，使得具备所述远红外探测器的近场显微镜可以放置于十分狭小的空间中(比如低温强磁场环境中)。最后，所述远红外探测器在使用过程中仅需要固定针尖状结构即可，简化了太赫兹信号的探测流程。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图3为本申请的又一个实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图4为本申请的再一个实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图5为本申请的一个可选实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图6为本申请的另一个可选实施例提供的一种远红外探测器的结构示意图；
图7为本申请的一个实施例提供的一种近场显微镜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种远红外探测器，如图1、图2、图3和图4所示，所述远红外探测器包括：
针尖状结构10；
位于所述针尖状结构10的侧面或底面的石墨烯量子点20；当所述石墨烯量子点20位于所述针尖状结构10的侧面时，所述石墨烯量子点20与所述针尖状结构10的底面的距离小于或等于预设距离；
分别与所述石墨烯量子点20的两侧对称连接的两个石墨烯电极30；
分别与所述石墨烯电极30远离所述石墨烯量子点20一侧连接的两个金属电极40。
在图1-4中，所述石墨烯电极30均设置于所述针尖状结构10的侧面。在图1和图2中，所述石墨烯量子点20位于所述针尖状结构10的底面，所述石墨烯量子点20的两个对称的连接由所述石墨烯电极30，当所述针尖状结构10为棱柱形针尖结构时，所述石墨烯电极30可以分别位于两个相对的侧面，也可以位于相邻的两个侧面或相同的一个侧面，本申请对此并不限定。
在图3和图4中，所述石墨烯量子点20位于所述针尖状结构10的侧面，当所述针尖状结构10为棱柱形针尖结构时，所述石墨烯电极30可以分别位于两个相对的侧面，也可以位于相邻的两个侧面或相同的一个侧面，本申请对此并不限定。同时所述石墨烯电极30中的一个或两个可以与所述石墨烯量子点20位于所述针尖状结构10的同一个侧面也可以位于不同的侧面，本申请对此也并不做限定。
可选的，所述石墨烯量子点20为单层石墨烯，且所述石墨烯量子点20的直径小于100nm。
仍然参考图1，在图1中，所述针尖状结构10为圆台状针尖结构；
仍然参考图2-4，在图2-4中，所述针尖状结构10为棱柱形针尖结构。所述针尖状结构10的具体形状对于所述远红外探测器的性能影响并不明显。可选的，所述针尖状结构10还可以为其他可行形状结构，本申请对此并不做限定。
参考图5，当所述针尖状结构10为棱柱形针尖结构时；
所述棱柱形针尖结构的底面的一个端点为近样品点A；
所述棱柱形针尖结构共用所述近样品点A的三个表面为底面、第一竖面和第二竖面。
仍然参考图5，所述石墨烯量子点20位于所述底面D；
两个所述石墨烯电极30分别设置于所述第一竖面B和所述第二竖面C。
可选的，参考图6，所述石墨烯量子点20位于所述第一竖面B；
两个所述石墨烯电极30分别设置于所述第一竖面B和所述第二竖面C。
可选的，所述石墨烯量子点20位于所述第一竖面B；
两个所述石墨烯电极30均设置于所述第一竖面B。在本实施例中，当两个所述石墨烯电极30与所述石墨烯量子点20均设置于所述第一竖面B上时，有利于进一步降低所述远红外探测器的制备难度。
在图6中，所述石墨烯量子点20位于所述针尖状结构10的侧面，有利于降低所述远红外探测器的制备难度，提高所述远红外探测器的制备良率。这是因为所述针尖状结构10的侧面的面积相较于底面D要大很多，而在面积较大的侧面上对石墨烯量子点20进行加工和刻蚀的难度，相较于在面积狭小的底面D上对石墨烯量子点20进行加工和刻蚀的难度大大降低。
在图5-6中，标号A表示所述近样品点。
相应的，本申请实施例还提供了一种近场显微镜，如图7所示，包括：聚焦系统H、扫描探针显微镜系统以及如上述任一实施例所述的远红外探测器G；其中，
所述远红外探测器G固定于所述扫描探针显微镜系统的马达J上，所述马达J上还固定有所述扫描探针显微镜系统的针尖F；
所述聚焦系统H用于将光束聚焦至所述扫描探针显微镜系统的样品台I上；
在所述扫描探针显微镜系统的扫描过程中，所述远红外探测器G位于所述针尖F与所述样品台I的工作区范围内。
此外，图7中还示出了用于出射太赫兹信号的系统K以及所述扫描探针显微镜系统的扫描管E。
综上所述，本申请实施例提供了一种远红外探测器及近场显微镜，其中，所述远红外探测器采用石墨烯量子点作为探测元件，与传统的半导体材料作为探测元件相比，石墨烯量子点具有宽频谱光吸收、高电热导率、低电子-声子耦合等有益特性，可以高效地探测太赫兹信号，同时保持了极低的噪音等效功率。此外所述远红外探测器将所述石墨烯量子点放置于针尖状结构的底面或靠近底面的侧面上，使得所述石墨烯量子点的探测效率具有极大的提高，可用于极微弱太赫兹信号的探测，甚至有望能够实现对太赫兹单光子的探测。同样由于所述远红外探测器将所述石墨烯量子点放置于针尖状结构的底面或靠近底面的侧面上，可以极大的缩小整个远红外探测器以及近场显微镜的体积，是实现太赫兹物质探测系统微型化和集成化的关键技术，使得具备所述远红外探测器的近场显微镜可以放置于十分狭小的空间中(比如低温强磁场环境中)。最后，所述远红外探测器在使用过程中仅需要固定针尖状结构即可，简化了太赫兹信号的探测流程。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种远红外探测器，其特征在于，包括：
针尖状结构；所述针尖状结构为棱柱形针尖结构或圆台状针尖结构；
位于所述针尖状结构的侧面或底面的石墨烯量子点；当所述石墨烯量子点位于所述针尖状结构的侧面时，所述石墨烯量子点与所述针尖状结构的底面的距离小于或等于预设距离；缩小了整个远红外探测器的体积，且所述远红外探测器在使用过程中仅需要固定所述针尖状结构，简化了太赫兹信号的探测流程；
分别与所述石墨烯量子点的两侧对称连接的两个石墨烯电极；所述石墨烯电极设置于所述针尖状结构的侧面；
分别与所述石墨烯电极远离所述石墨烯量子点一侧连接的两个金属电极。
2.根据权利要求1所述的远红外探测器，其特征在于，所述石墨烯量子点为单层石墨烯，且所述石墨烯量子点的直径小于100nm。
3.根据权利要求1所述的远红外探测器，其特征在于，当所述针尖状结构为棱柱形针尖结构时；
所述棱柱形针尖结构的底面的一个端点为近样品点；
所述棱柱形针尖结构共用所述近样品点的三个表面为底面、第一竖面和第二竖面。
4.根据权利要求3所述的远红外探测器，其特征在于，所述石墨烯量子点位于所述底面；
两个所述石墨烯电极分别设置于所述第一竖面和所述第二竖面。
5.根据权利要求3所述的远红外探测器，其特征在于，所述石墨烯量子点位于所述第一竖面；
两个所述石墨烯电极分别设置于所述第一竖面和所述第二竖面。
6.根据权利要求3所述的远红外探测器，其特征在于，所述石墨烯量子点位于所述第一竖面；
两个所述石墨烯电极均设置于所述第一竖面。
7.一种近场显微镜，其特征在于，包括聚焦系统、扫描探针显微镜系统以及如权利要求1-6任一项所述的远红外探测器；其中，
所述远红外探测器固定于所述扫描探针显微镜系统的马达上，所述马达上还固定有所述扫描探针显微镜系统的针尖；
所述聚焦系统用于将光束聚焦至所述扫描探针显微镜系统的样品台上；
在所述扫描探针显微镜系统的扫描过程中，所述远红外探测器位于所述针尖与所述样品台的工作区范围内。
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