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，費米能級為0.65～0.75eV。當紅外波段的TM偏振光垂直入射時，其對氣體（折射率變化范圍為1.0-1.05）的靈敏度高于2520nm/RIU，品質因子大于6.25，其對水環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，品質因子大于6.27。通過采用不同的費米能級，該傳感器可以同時用于探測氣體和水環境中的低折射率材料。本發明由電子束直寫裝置結合微電子深刻蝕工藝加工而成，取材方便，造價小，能大批量生產，具有重要的實用前景。
【專利說明】TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器
【技術領域】
[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】
[0002]傳統的表面等離子體諧振傳感器，基于金屬-電介質結構，主要用于可見和近紅外波段。盡管如此，對于中遠紅外頻率，表面等離子體波不再緊縛于金屬-電介質界面，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，在探測介質中，折射率的輕微變化，將導致表面等離子波矢發生變化，而這可以通過測量諧振透射峰的光譜移動來得到。石墨烯基的納米結構可以支持高度受限的等離子體模，由于石墨烯的電導率可以通過化學或靜電開關形式來進行動態調節，使得石墨烯等離子體模可以在紅外-太赫茲波段實現動態調控。上述特點，使得石墨烯納米帶陣列傳感器可以在很寬的波帶范圍內進行調諧，因此，其作為新型的傳感器件具有廣泛的應用前景。
[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電介質環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純的電介質以及振蕩模式的擴散薄膜。盡管如此，所設計器件的外耦合效率，也就是反射效率很小(〈0.16)【在先技術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，并詳細研究了襯底的介電常數，費米能級以及結構參數對傳感器靈敏度和精度的影響【在先技術 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，主要用于探測單個折射率范圍。
[0004]石墨烯納米帶陣列傳感器，本質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。亞波長矩形光柵的衍射問題，不能由簡單的標量光柵衍射來處理，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地求解。Moharam等人已給出了嚴格耦合波理論的算法【在先技術3:M.G.Moharam et al.，J.0pt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解決這類亞波長光柵的衍射問題。據我們所知，到目前為止，還沒有人針對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構，可以同時用于探測氫氣和水環境中的低折射率材料的傳感器。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術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。當紅外波段的TM偏振光垂直入射時，其對氣體(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的變化為2520nm)，品質因子大于6.25，其對水環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，品質因子大于6.27。通過采用不同的費米能級，該傳感器可以同時用于探測氣體和水環境中的低折射率材料。因此，該傳感器具有重要的實用價值。[0006]本發明的技術解決方案如下:
[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，費米能級為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，費米能級為0.7eV。
[0009]本發明的技術效果如下:
[0010]特別是當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，費米能級為0.7eV時，當紅外波段的TM偏振光垂直入射到該器件時，TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器對氣體(折射率變化范圍為1.0-1.05)的靈敏度為2840nm/RIU，品質因子為7.17，其對水環境中的低折射率材料的靈敏度為3280nm/RIU，品質因子為7.06。
[0011]本發明具有使用靈活方便、折射率靈敏度高，品質因子高等優點，是一種理想的傳感器件。
[0012]利用電子束直寫裝置結合微電子刻蝕工藝，本發明可以大批量、低成本地生產，制作后的傳感器性能穩定、可靠，具有重要的實用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發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構示意圖。
[0014]圖中，1代表探測介質區域(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是本發明要求范圍內一個實施例，當探測介質的折射率在1.0~1.05之間變化時，TM偏振光的零級透射效率隨波長變化的曲線。
[0016]圖3是圖2中實施例，當探測介質的折射率在1.30~1.35之間變化時，TM偏振光的零級透射效率隨波長變化的曲線。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0018]先請參閱圖1，圖1是本發明用于紅外波段的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器的幾何結構示意圖。圖中，區域1、2都是均勻的，分別為探測介質和熔融石英(折射率ns=l.45)，當探測介質為氣體時，對應的折射率變化范圍為n1=L O~1.05，當探測介質為水環境中的低折射率材料時，對應的折射率變化范圍為n1=L 30~1.35，TM偏振光(對應于磁場矢量的振動方向垂直于入射面)垂直入射到該器件。由圖可見，本發明用于紅外波段的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，費米能級為0.65~0.75eV。
[0019]在如圖1所示的幾何結構下，本發明采用嚴格耦合波理論【在先技術3】計算了該TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器在紅外波段范圍內的零級透射效率。我們利用嚴格耦合波理論【在先技術3】和模擬退火法則【在先技術4:W.GofTe et al.，J.Econometrics60, 65-99 (1994)】進行優化，從而得到這種高靈敏度和高品質因子的TM偏振石墨烯納米帶陣列傳感器。
[0020]表1給出了本發明一系列實施例，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表示當探測介質的折射率在1.0~1.05間變化時的傳感器靈敏度，FOM1為相應的品質因子。Sa2表示當探測介質的折射率在1.30~1.35間變化時的傳感器靈敏度，FOM2為相應的品質因子。
[0021]石墨烯可以看成是一種各向異性材料，在室溫T=300K時，對于中遠紅外頻率^okIEi，其中力為約化普朗克常數，Co為角頻率，Ef為費米能級，石墨烯的光學電導率可
以用一個Drude模型來近似:
[0022]
【權利要求】
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，費米能級為0.65?0.75eV。
2.根據權利要求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，費米能級為0.7eV。
【文檔編號】G01N21/3504GK103674880SQ201310511928
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】吳俊 , 周常河, 曹紅超, 李樹斌 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所