基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法，该石墨烯红外传感器包括硅片，部分的硅片上方具有绝缘层，绝缘层的上方具有电极层，当选择具有二氧化硅层的硅片时，则直接于部分的硅片上方形成电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。本发明专利技术使用新型纳米石墨烯材料作为感光材料,并加入光子晶体汇聚特定波长红外线，提高了光响应率，并且其制备过程简单，成本低，是一种无需制冷的量子传感器。

【技术实现步骤摘要】
基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法
本专利技术属于光电传感器领域，具体涉及一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法。
技术介绍
红外检测技术有着极其广泛的应用，并且随着红外检测技术的不断的发展及普及，新的应用被不断开发。目前主要集中在四种商业用途：红外热像仪，汽车主动安全技术，智能手机中的红外成像及监控领域。预计到2017年底，商用成像市场份额将超过军事用途，占据市场50%以上，达到30亿美金。红外热像仪应用集中在电气设备检测、机电设备检测、建筑检测及产品品质控制。将红外传感器安装于车辆上，可以在夜间或雾、霾等气候条件下有效地提高驾驶员视距，从而成为重要的安全驾驶辅助手段。目前红外探测技术主要有两种：制冷式窄带半导体探测和非制冷式热量传感器。制冷式窄带半导体例如InSb和HgCdTe具有灵敏度高、响应速度快等优势，然而，复杂的加工流程和制冷设备的要求大大提高其加工成本。非制冷式热量传感器无需外加制冷设备，主要依靠热敏感元件受热电阻发生改变来进行检测。其成本较低，但是灵敏度及响应速度不及制冷式窄带半导体。而且，不论是制冷式还是非式制冷探测器，都只能针对某一较宽的红外波长范围进行检测，无法有效区分不同波长的红外光。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术涉及一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法。本专利技术提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，包括硅片，部分的硅片的抛光面上具有连续且厚度均匀的绝缘层，绝缘层的上方具有连续且厚度均匀的电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。所述绝缘层与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述绝缘层的厚度为200-500纳米，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。本专利技术还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，包括表面具有二氧化硅层的硅片，于具有二氧化硅层一侧的部分的硅片上方具有电极层，电极层分为形成为处于硅片上方两端的两个间隔的部分，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。所述具有二氧化硅层一侧的部分的硅片与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述二氧化硅层的厚度为200-500纳米，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。本专利技术提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，包括以下几个步骤：步骤1：预清洗硅片；步骤2：于硅片上制备图形化光刻胶层；步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方顺次沉积绝缘层和电极层；步骤4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；步骤5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。本专利技术还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，包括以下几个步骤：步骤1：预清洗具有二氧化硅层的硅片；步骤2：于具有二氧化硅层一侧的硅片上方制备图形化光刻胶层；步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方沉积电极层；步骤4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；步骤5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。本专利技术具有以下优点：本专利技术相比于传统红外探测器，使用新型纳米石墨烯材料作为感光材料,具有高电子迁移率及宽波段光响应率的优点；本专利技术相比于传统红外探测器，加入光子晶体汇聚特定波长红外线，提高了光响应率；本专利技术相比于传统红外探测器，利用光子晶体实现针对特定波长红外线的高灵敏检测；本专利技术相比于传统红外探测器，通过化学掺杂调节石墨烯费米能级，实现对不同波长的不同灵敏度检测；本专利技术相比于传统红外探测器，其制备过程简单，成本低；本专利技术相比于传统红外探测器，是一种无需制冷的量子传感器。附图说明图1A是本专利技术具有石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外传感器的结构示意图；图1B是本专利技术中具有金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外传感器的结构示意图；图2A是本专利技术中制备具有石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外传感器的方法流程图；图2B是本专利技术中制备具有金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外传感器的方法流程图；图3是光子晶体部分的的原子力显微镜图像；图4是本专利技术中基于光子晶体的石墨烯红外传感器对不同波段红外线光响应率的检测比较（使用与不使用光子晶体的比较）；图5是利用原子力显微镜表面处理前和表面处理后的石墨烯图像及截面高度图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。本专利技术的目的在于提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其制备是通过一种对特定波长红外线的光响应放大方法，通过设计光子晶体结构及尺寸以产生更高灵敏度的光电传感器。对于特定波长红外线，通过设计光子晶体周期及缺陷位置和尺寸，光子晶体可以将入射红外线汇聚到石墨烯表面以达到增强光响应率的目的。石墨烯吸收红外线能量后，产生光致载流子，在外加电场的作用下，被电极收集形成光电流。石墨烯作为感光材料，通过聚酸甲酯转移的方法，放置于硅基底上形成石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外感测器，或者放置于预先做好电极的具有二氧化硅层的硅片上，形成金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外感测器。基于原子力显微镜的纳米机器人被用于处理石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，包括硅片，部分的硅片的抛光面上具有连续且厚度均匀的绝缘层，绝缘层的上方具有连续且厚度均匀的电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，包括硅片，部分的硅片的抛光面上具有连续且厚度均匀的绝缘层，绝缘层的上方具有连续且厚度均匀的电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述绝缘层与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述绝缘层的厚度为200-500纳米，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。3.根据权利要求1或2所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。4.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，包括表面具有二氧化硅层的硅片，于具有二氧化硅层一侧的部分的硅片上方具有电极层，电极层分为形成为处于硅片上方两端的两个间隔的部分，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。5.根据权利要求4所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述具有二氧化硅层一侧的部分的硅片与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述二氧化硅层的厚度为200-500纳米，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖伟超，卢伟贤，唐鑫，潘志豪，郑颕怡，
申请(专利权)人：香港生产力促进局，
类型：发明
国别省市：中国香港,81