Tm偏振石墨烯納米帶陣列傳感器的制造方法
【專利摘要】一種用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器，該傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期和占空比分別為245～255納米和0.45～0.55，費(fèi)米能級(jí)為0.65～0.75eV。當(dāng)紅外波段的TM偏振光垂直入射時(shí)，其對(duì)氣體（折射率變化范圍為1.0-1.05）的靈敏度高于2520nm/RIU，品質(zhì)因子大于6.25，其對(duì)水環(huán)境中的低折射率材料（折射率變化范圍為1.30-1.35）的靈敏度高于2920nm/RIU，品質(zhì)因子大于6.27。通過采用不同的費(fèi)米能級(jí)，該傳感器可以同時(shí)用于探測(cè)氣體和水環(huán)境中的低折射率材料。本發(fā)明由電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，取材方便，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
【專利說明】TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及石墨烯納米帶陣列傳感器，特別是一種用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的表面等離子體諧振傳感器，基于金屬-電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要用于可見和近紅外波段。盡管如此，對(duì)于中遠(yuǎn)紅外頻率，表面等離子體波不再緊縛于金屬-電介質(zhì)界面，這使得傳感器的靈敏度受到限制。為此，人們提出了中紅外波段的石墨烯納米帶陣列傳感器。它的基本原理是，在探測(cè)介質(zhì)中，折射率的輕微變化，將導(dǎo)致表面等離子波矢發(fā)生變化，而這可以通過測(cè)量諧振透射峰的光譜移動(dòng)來得到。石墨烯基的納米結(jié)構(gòu)可以支持高度受限的等離子體模，由于石墨烯的電導(dǎo)率可以通過化學(xué)或靜電開關(guān)形式來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得石墨烯等離子體?？梢栽诩t外-太赫茲波段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。上述特點(diǎn)，使得石墨烯納米帶陣列傳感器可以在很寬的波帶范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，因此，其作為新型的傳感器件具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]B.Vasic等人首先理論地探討了利用石墨烯納米帶陣列來探測(cè)電介質(zhì)環(huán)境中折射率變化的可能性，并利用石墨烯表面等離子體來探測(cè)純的電介質(zhì)以及振蕩模式的擴(kuò)散薄膜。盡管如此，所設(shè)計(jì)器件的外耦合效率，也就是反射效率很小(〈0.16)【在先技術(shù)1:
B.Vasic et al.，J.Appl.Phys.，113，013110 (2013)】。Y.Zhao 等人提出了紅外波段的透射式生物傳感器，并詳細(xì)研究了襯底的介電常數(shù)，費(fèi)米能級(jí)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器靈敏度和精度的影響【在先技術(shù) 2:Y.Zhao et al.，Phys.Chem.Chem.Phys.，15，17118 (2013)】。盡管如此，目前所提出的基于石墨烯納米帶陣列的傳感器，主要用于探測(cè)單個(gè)折射率范圍。
[0004]石墨烯納米帶陣列傳感器，本質(zhì)上是矩形槽的石墨烯光柵。矩形光柵是利用微納加工工藝，在襯底上加工出的具有矩形槽形的光柵。亞波長(zhǎng)矩形光柵的衍射問題，不能由簡(jiǎn)單的標(biāo)量光柵衍射來處理，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地求解。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波理論的算法【在先技術(shù)3:M.G.Moharam et al.，J.0pt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解決這類亞波長(zhǎng)光柵的衍射問題。據(jù)我們所知，到目前為止，還沒有人針對(duì)紅外波段給出在熔融石英襯底上制作的基于石墨烯納米帶陣列結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)用于探測(cè)氫氣和水環(huán)境中的低折射率材料的傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器。當(dāng)紅外波段的TM偏振光垂直入射時(shí)，其對(duì)氣體(折射率變化范圍為1.0-1.05)的靈敏度高于2520nm/RIU (即每單位折射率變化引起諧振波長(zhǎng)的變化為2520nm)，品質(zhì)因子大于6.25，其對(duì)水環(huán)境中的低折射率材料(折射率變化范圍為1.30-1.35)的靈敏度高于2920nm/RIU，品質(zhì)因子大于6.27。通過采用不同的費(fèi)米能級(jí)，該傳感器可以同時(shí)用于探測(cè)氣體和水環(huán)境中的低折射率材料。因此，該傳感器具有重要的實(shí)用價(jià)值。[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]—種用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器，其特征在于該傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期為245~255納米和占空比為0.45~0.55，費(fèi)米能級(jí)為0.65 ~0.75eV0
[0008]最佳的傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期和占空比分別為250納米和0.5，費(fèi)米能級(jí)為0.7eV。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0010]特別是當(dāng)傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期和占空比分別為250納米和
0.5，費(fèi)米能級(jí)為0.7eV時(shí)，當(dāng)紅外波段的TM偏振光垂直入射到該器件時(shí)，TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器對(duì)氣體(折射率變化范圍為1.0-1.05)的靈敏度為2840nm/RIU，品質(zhì)因子為7.17，其對(duì)水環(huán)境中的低折射率材料的靈敏度為3280nm/RIU，品質(zhì)因子為7.06。
[0011]本發(fā)明具有使用靈活方便、折射率靈敏度高，品質(zhì)因子高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的傳感器件。
[0012]利用電子束直寫裝置結(jié)合微電子刻蝕工藝，本發(fā)明可以大批量、低成本地生產(chǎn)，制作后的傳感器性能穩(wěn)定、可靠，具有重要的實(shí)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中，1代表探測(cè)介質(zhì)區(qū)域(折射率為n1), 2代表光柵，光柵層材料為石墨烯(Graphene), 3代表襯底(折射率為ns)，4代表TM偏振光入射。d為石墨烯納米帶陣列的周期，w為石墨烯納米帶的寬度，f=w/d為石墨烯納米帶陣列的占空比，h為石墨烯層的厚度。
[0015]圖2是本發(fā)明要求范圍內(nèi)一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)探測(cè)介質(zhì)的折射率在1.0~1.05之間變化時(shí)，TM偏振光的零級(jí)透射效率隨波長(zhǎng)變化的曲線。
[0016]圖3是圖2中實(shí)施例，當(dāng)探測(cè)介質(zhì)的折射率在1.30~1.35之間變化時(shí)，TM偏振光的零級(jí)透射效率隨波長(zhǎng)變化的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0018]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，區(qū)域1、2都是均勻的，分別為探測(cè)介質(zhì)和熔融石英(折射率ns=l.45)，當(dāng)探測(cè)介質(zhì)為氣體時(shí)，對(duì)應(yīng)的折射率變化范圍為n1=L O~1.05，當(dāng)探測(cè)介質(zhì)為水環(huán)境中的低折射率材料時(shí)，對(duì)應(yīng)的折射率變化范圍為n1=L 30~1.35，TM偏振光(對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面)垂直入射到該器件。由圖可見，本發(fā)明用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器，該傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期和占空比分別為245~255納米和0.45~0.55，費(fèi)米能級(jí)為0.65~0.75eV。
[0019]在如圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論【在先技術(shù)3】計(jì)算了該TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器在紅外波段范圍內(nèi)的零級(jí)透射效率。我們利用嚴(yán)格耦合波理論【在先技術(shù)3】和模擬退火法則【在先技術(shù)4:W.GofTe et al.，J.Econometrics60, 65-99 (1994)】進(jìn)行優(yōu)化，從而得到這種高靈敏度和高品質(zhì)因子的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器。
[0020]表1給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，表中d為石墨烯納米帶陣列的周期，w為石墨烯納米帶的寬度，f=w/d為石墨烯納米帶陣列的占空比，h為石墨烯層的厚度。Sai表示當(dāng)探測(cè)介質(zhì)的折射率在1.0~1.05間變化時(shí)的傳感器靈敏度，F(xiàn)OM1為相應(yīng)的品質(zhì)因子。Sa2表示當(dāng)探測(cè)介質(zhì)的折射率在1.30~1.35間變化時(shí)的傳感器靈敏度，F(xiàn)OM2為相應(yīng)的品質(zhì)因子。
[0021]石墨烯可以看成是一種各向異性材料，在室溫T=300K時(shí)，對(duì)于中遠(yuǎn)紅外頻率^okIEi，其中力為約化普朗克常數(shù)，Co為角頻率，Ef為費(fèi)米能級(jí)，石墨烯的光學(xué)電導(dǎo)率可
以用一個(gè)Drude模型來近似:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器，其特征在于該傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期為245?255納米和占空比為0.45?0.55，費(fèi)米能級(jí)為0.65?0.75eV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器，其特征在于所述的傳感器的頂部石墨烯納米帶陣列的周期和占空比分別為250納米和0.5，費(fèi)米能級(jí)為0.7eV。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103674880SQ201310511928
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】吳俊 , 周常河, 曹紅超, 李樹斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所