CN114018304B - 一种远红外光层状传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种远红外光层状传感器及制备方法，传感器包括：上层纳米天线结构、下层纳米天线结构、二维半导体材料和基底；下层纳米天线结构设置在基底上，二维半导体材料设置在下层纳米天线结构上，上层纳米天线结构设置在二维半导体材料上；上层纳米天线结构中的第一纳米天线与下层纳米天线结构中的第二纳米天线不对齐，且存在投影重叠区域。本发明将二维半导体材料设置在上层纳米天线结构和下层纳米天线结构之间，通过选择不同厚度的二维半导体材料，可以较为容易地获得纳米级以及亚纳米级不同间隙的传感器，能够批量化获得10nm下不同间隙的金属阵列结构。
Description
技术领域
本发明涉及传感器制备技术领域，特别是涉及一种远红外光层状传感器及制备方法。
背景技术
局部等离子增强有效范围在10-20nm范围内，且增强程度随金属间隙的减小呈现指数关系的增长。因此，通过制备具有小间隙的金属阵列有助于获得较高的局部等离子增强效应，从而提高制备器件的灵敏度、光响应度以及分辨率。此效应可用于不同功能器件的制备与应用，例如：光学通信、疾病诊断、化学检测、光捕捉以及能量收集。
为获得具有小间隙的金属阵列，传统的加工方式(如UV光刻、电子束光刻以及纳米压印)受到加工极限的约束，现有加工技术加工极限在10nm左右，无法批量化制备10nm以下小间隙纳米天线结构。因此，如何在传统加工方法的基础上，通过改变纳米天线的结构形式，批量化制备10nm以下不同间隙的纳米天线结构成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种远红外光层状传感器及制备方法，以实现批量化制备纳米级以及亚纳米级不同间隙的纳米天线结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种远红外光层状传感器，所述传感器包括：
上层纳米天线结构、下层纳米天线结构、二维半导体材料和基底；所述下层纳米天线结构设置在所述基底上，所述二维半导体材料设置在所述下层纳米天线结构上，所述上层纳米天线结构设置在所述二维半导体材料上；所述上层纳米天线结构中的第一纳米天线与所述下层纳米天线结构中的第二纳米天线不对齐，且存在投影重叠区域。
可选地，所述传感器还包括：
第一引出电路和第二引出电路，所述第一引出电路和所述第二引出电路分别设置在所述二维半导体材料两侧，且对应设置；电源分别与所述第一引出电路和所述第二引出电路连接，所述电源用于给所述第一引出电路和所述第二引出电路施加驱动电压。
可选地，所述上层纳米天线结构包括至少1个上层纳米天线阵列；所述上层纳米天线阵列包括至少1个第一纳米天线；所述下层纳米天线结构包括至少1个下层纳米天线阵列；所述下层纳米天线阵列包括至少1个第二纳米天线。
可选地，当所述上层纳米天线结构中包括多个所述上层纳米天线阵列时，多个所述上层纳米天线阵列以阵列方式设置在所述二维半导体材料上；当所述下层纳米天线结构中包括多个所述下层纳米天线阵列时，多个所述下层纳米天线阵列以阵列方式设置在所述基底上。
可选地，所述上层纳米天线阵列中每个所述第一纳米天线与所述下层纳米天线阵列中多个所述第二纳米天线至少有一个不对齐，且至少存在一个投影重叠区域。
可选地，所述第一纳米天线和所述第二纳米天线为金属材料。
可选地，所述金属材料为金或银。
可选地，所述二维半导体材料为二硫化钼、石墨烯或黑鳞。
本发明还提供一种远红外光层状传感器制备方法，所述方法用于制备上述传感器，所述方法包括：
步骤S1：清洗基底，并采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、下层纳米天线结构沉积以及去胶过程；
步骤S2：判断所述下层纳米天线结构是否制备完好；如果制备完好，则执行“步骤S3”；如果制备破损，则返回“步骤S1”；
步骤S3：将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部；
步骤S4：检测被转移的二维半导体材料是否存在破损；如果存在破损，则返回“步骤S1”；如果不存在破损，则采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、上层纳米天线结构沉积以及去胶过程。
可选地，步骤S3具体包括：
采用干转移技术将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的一种远红外光层状传感器及制备方法，通过改变传统纳米天线的平面结构为层状立体结构，即将二维半导体材料设置在上层纳米天线结构和下层纳米天线结构之间，并通过选择不同厚度的二维半导体材料，可以较为容易地获得纳米级以及亚纳米级不同间隙的金属阵列结构。本发明公开的小间隙的层状立体结构能够获得更高的局部电场增强效应，进而使制备的远红外光层状传感器获得更高的灵敏度和光响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明远红外光层状传感器结构图；
图2为本发明纳米天线阵列单元结构图一；
图3为本发明纳米天线阵列单元结构图二；
图4为本发明纳米天线阵列单元结构图三；
图5为本发明间隙与电场增强强度示意图；
图6为本发明远红外光层状传感器制备方法流程图；
符号说明：
1-上层纳米天线阵列，2-下层纳米天线阵列，3-二维半导体材料，4-基底，5-第一引出电路，6-第二引出电路，7-第一纳米天线，8-第二纳米天线，9-投影重叠区域，10-间隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种远红外光层状传感器及制备方法，以实现批量化制备纳米级以及亚纳米级不同间隙的纳米天线结构。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开一种远红外光层状传感器，所述传感器包括：上层纳米天线结构、下层纳米天线结构、二维半导体材料3和基底4；所述下层纳米天线结构设置在所述基底4上，所述二维半导体材料3设置在所述下层纳米天线结构上，所述上层纳米天线结构设置在所述二维半导体材料3上；所述上层纳米天线结构中的第一纳米天线7与所述下层纳米天线结构中的第二纳米天线8不对齐，且存在投影重叠区域9。本实施例中提及到的投影重叠区域9为带有两个交点构成的重叠区域。如果存在投影重叠区域9，则说明在第一纳米天线7和第二纳米天线8之间会产生间隙10，如图5所示，其中，(a)为间隙10产生示意图，(b)为间隙10与电场增强强度曲线示意图；由图5中(b)可知，间隙10越小，则电场增强强度越大。本实施例中的基底优选SiO2基底。
作为一种可选的实施方式，本发明所述传感器还包括：第一引出电路5和第二引出电路6，所述第一引出电路5和所述第二引出电路6分别设置在所述二维半导体材料3两侧，且对应设置；电源分别与所述第一引出电路5和所述第二引出电路6连接，所述电源用于给所述第一引出电路5和所述第二引出电路6施加驱动电压。本实施例中，第一引出电路5为左侧的引出电路，第二引出电路6为右侧的引出电路，还可以将第一引出电路5设置为上侧，将第二引出电路6设置为下侧。
本实施例中，在入射光的照射下，纳米天线中的小间隙10会发生局部表面等离子共振现象，在纳米天线的周围形成较强的电磁场增强效应，激发上下层纳米天线间的电子向二位半导体材料中传导，通过电源在左侧的引出电路和右侧的引出电路间加载一定数值的驱动电压，可以得到较大的电流增强效应，可有效提高器件的灵敏度与相应速度。
作为一种可选的实施方式，本发明所述上层纳米天线结构包括至少1个上层纳米天线阵列1；所述上层纳米天线阵列1包括至少1个第一纳米天线7；所述下层纳米天线结构包括至少1个下层纳米天线阵列2；所述下层纳米天线阵列2包括至少1个第二纳米天线8。当所述上层纳米天线结构中包括多个所述上层纳米天线阵列1时，多个所述上层纳米天线阵列1以阵列方式设置在所述二维半导体材料3上；当所述下层纳米天线结构中包括多个所述下层纳米天线阵列2时，多个所述下层纳米天线阵列2以阵列方式设置在所述基底4上，具体详见图1。
作为一种可选的实施方式，本发明所述上层纳米天线阵列1中每个所述第一纳米天线7与所述下层纳米天线阵列2中多个所述第二纳米天线8至少有一个不对齐，且至少存在一个投影重叠区域9。
为了上述实施方案得到支持，本发明给出以下几种技术方案，但并不限于以下几种。本发明将上层纳米天线阵列1、二维半导体材料3、下层纳米天线阵列2和基底4组合构成纳米天线阵列单元。
第一种，本发明将第一纳米天线7与第二纳米天线8设置为直径相等天线，如图2所示，其中，(a)图为纳米天线阵列单元的主视图，(b)图为纳米天线阵列单元的俯视图，(c)图为纳米天线阵列单元的轴图，如图2所示，上层纳米天线阵列1包括3行2列的第一纳米天线7，下层纳米天线阵列2包括3行3列的第二纳米天线8，上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的所有第二纳米天线8不对齐，且上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的第二纳米天线8存在两个投影重叠区域9。
第二种，本发明将第一纳米天线7与第二纳米天线8设置为直径不相等天线，如图3所示，其中，(a)图为纳米天线阵列单元的主视图，(b)图为纳米天线阵列单元的俯视图，上层纳米天线阵列1包括3行2列的第一纳米天线7，下层纳米天线阵列2包括3行4列的第二纳米天线8，上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的所有第二纳米天线8不对齐，且上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的第二纳米天线8至少存在两个投影重叠区域9。
第三种，本发明将第一纳米天线7与第二纳米天线8设置为直径不相等天线，如图4所示，其中，(a)图为纳米天线阵列单元的主视图，(b)图为纳米天线阵列单元的俯视图，上层纳米天线阵列1包括3根第一纳米天线7，下层纳米天线阵列2包括4根第二纳米天线8，上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的部分第二纳米天线8不对齐，且上层纳米天线阵列1中每个第一纳米天线7与下层纳米天线阵列2中的第二纳米天线8至少存在一个投影重叠区域9。
作为一种可选的实施方式，本发明所述第一纳米天线7和所述第二纳米天线8为金属材料；所述第一纳米天线7和所述第二纳米天线8优选金或银。另外，本发明既可以将所述第一纳米天线7和所述第二纳米天线8设置为同一种材料天线，还可以设置为不同种材料天线，既可以设置相等直径，还可以设置为不等直径。另外所述二维半导体材料3优选二硫化钼、石墨烯或黑鳞。
实施例2
如图6所示，本发明还提供一种远红外光层状传感器制备方法，所述方法用于制备实施例1所述的传感器，所述方法包括：
步骤S1：清洗基底，并采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、下层纳米天线结构沉积以及去胶过程。
步骤S2：判断所述下层纳米天线结构是否制备完好(即能使用)；如果制备完好，则执行“步骤S3”；如果制备破损，则返回“步骤S1”。
步骤S3：将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部。
步骤S4：检测被转移的二维半导体材料是否存在破损；如果存在破损，则返回“步骤S1”；如果不存在破损，则采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、上层纳米天线结构沉积以及去胶过程。
本发明通过设置步骤S1-步骤S4，精确控制第一纳米天线和第二纳米天线在水平方向上位移错位，实现第一纳米天线与第二纳米天线组成错位结构，确保在入射光进入到二维半导体材料内部的同时，能够实现光在小间隙中增强。
作为一种可选的，步骤S3具体包括：
采用干转移技术将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部。
在步骤S4之后还包括，通过UV光刻技术与金属沉积技术在二维半导体材料上制备第一引出电路和第二引出电路。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种远红外光层状传感器，其特征在于，所述传感器包括：
上层纳米天线结构、下层纳米天线结构、二维半导体材料、第一引出电路、第二引出电路和基底；所述下层纳米天线结构设置在所述基底上，所述二维半导体材料设置在所述下层纳米天线结构上，所述上层纳米天线结构设置在所述二维半导体材料上，所述第一引出电路和所述第二引出电路分别设置在所述二维半导体材料两侧，且对应设置，电源分别与所述第一引出电路和第二引出电路连接；所述上层纳米天线结构中的第一纳米天线与所述下层纳米天线结构中的第二纳米天线不对齐，且存在投影重叠区域。
2.根据权利要求1所述的远红外光层状传感器，其特征在于，所述上层纳米天线结构包括至少1个上层纳米天线阵列；所述上层纳米天线阵列包括至少1个第一纳米天线；所述下层纳米天线结构包括至少1个下层纳米天线阵列；所述下层纳米天线阵列包括至少1个第二纳米天线。
3.根据权利要求2所述的远红外光层状传感器，其特征在于，当所述上层纳米天线结构中包括多个所述上层纳米天线阵列时，多个所述上层纳米天线阵列以阵列方式设置在所述二维半导体材料上；当所述下层纳米天线结构中包括多个所述下层纳米天线阵列时，多个所述下层纳米天线阵列以阵列方式设置在所述基底上。
4.根据权利要求2所述的远红外光层状传感器，其特征在于，所述上层纳米天线阵列中每个所述第一纳米天线与所述下层纳米天线阵列中多个所述第二纳米天线至少有一个不对齐，且至少存在一个投影重叠区域。
5.根据权利要求1所述的远红外光层状传感器，其特征在于，所述第一纳米天线和所述第二纳米天线为金属材料。
6.根据权利要求5所述的远红外光层状传感器，其特征在于，所述金属材料为金或银。
7.根据权利要求1所述的远红外光层状传感器，其特征在于，所述二维半导体材料为二硫化钼、石墨烯或黑鳞。
8.一种远红外光层状传感器制备方法，其特征在于，所述方法用于制备权利要求1-7任一项所述的传感器，所述方法包括：
步骤S1：清洗基底，并采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、下层纳米天线结构沉积以及去胶过程；
步骤S2：判断所述下层纳米天线结构是否制备完好；如果制备完好，则执行“步骤S3”；
如果制备破损，则返回“步骤S1”；
步骤S3：将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部；
步骤S4：检测被转移的二维半导体材料是否存在破损；如果存在破损，则返回“步骤S1”；如果不存在破损，则采用电子束光刻技术完成涂胶、电子束光刻、显影、上层纳米天线结构沉积以及去胶过程。
9.根据权利要求8所述的远红外光层状传感器制备方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
采用干转移技术将二维半导体材料转移至所述下层纳米天线结构的顶部。
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