用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层、石墨烯薄膜；所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层和石墨烯薄膜一起构成微流通道；所述溶液以及气体从所述微流通道的一端进入，从另一端出来。相对于其他石墨烯等离激元增强红外器件结构，本发明专利技术可实现探测溶液中化学或生物分子(如蛋白质)的红外信号，更接近实际生理情况；另外，还解决了气体探测中，红外仪器探测不到微量气体的问题。本发明专利技术有效地提高了探测的准确性，同时也拓宽了石墨烯等离激元的应用领域。

Graphene plasmon element for enhancing infrared absorption signal and preparation method thereof

The invention provides a graphene plasmon exciting element for enhancing infrared absorption signal and a preparation method thereof, including a substrate, a grating layer, and a graphene film arranged sequentially from bottom to top; the grating layer is located on the substrate, and the graphene film is covered on the grating layer; the substrate, the grating layer The solution and the gas enter from one end of the microchannel and come out from the other end. Compared with other graphene plasmon-enhanced infrared devices, the present invention can detect the infrared signal of chemical or biological molecules (such as proteins) in solution, and is closer to the actual physiological situation. In addition, it solves the problem that infrared instruments can not detect trace gases in gas detection. The invention effectively improves the detection accuracy, and at the same time widens the application field of graphene plasmon.

【技术实现步骤摘要】
用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法
本专利技术涉及红外探测
，特别涉及一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法。
技术介绍
红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。红外光谱技术是一种直接探测分子振动模式实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率高，光谱图库齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。表面增强红外吸收光谱技术(Surface-EnhancedInfraredAbsorption)能够显著增强被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测微量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具。然而，红外光谱受到水的影响比较大，现有表面增强红外吸收光谱技术增强溶液中的生物或化学分子的红外信号受到限制。另外，在气体探测中，由于红外仪器灵敏度和检测限的限制，存在红外仪器探测不到微量气体的问题。因此，需要一种能够有效增强溶液中生物或化学分子以及气体分子的红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件，该器件适用于生物、化学溶液以及气体，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层以及石墨烯薄膜；所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层和石墨烯薄膜一起构成微流通道；生物、化学溶液以及气体从所述微流通道的一端进入，从另外一端出来。优选地，所述光栅层具有由若干相互平行且互不接触的条带构成的周期性光栅结构，所述周期性光栅结构是由在靠近石墨烯薄膜一侧的衬底上刻蚀得出的，其中刻蚀出的条带与高于条带的衬底构成周期性交替结构，所述周期性交替结构的纵切面为台阶状结构。更优选地，所述周期性光栅结构还可利用电子束曝光和干法刻蚀制备得到；所述周期性光栅结构包括若干个光栅周期，一个光栅周期由条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度构成；优选地，所述一个光栅周期为20nm～1μm，根据待检测物质的红外吸收峰和实际加工极限进行选择得出，在光栅周期在20nm～1μm的器件，能检测并增强常见物质的红外吸收峰，实际能加工出最小的光栅周期是在20nm左右；优选地，所述条带宽度为10nm～500nm，所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比为1：1，其中，所述条带的横切面为长方形。其中，所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比为1:1能获得较好的等离激元强度，即能获得较好的增强效果，并且加工和计算起来更加方便。其中所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比只要不偏离1:1太大均可行。更优选地，所述一个光栅周期为150nm，所述条带宽度为75nm；所述特定的光栅周期为150nm，条带宽度为75nm，正好能增强生物分子中蛋白质的红外吸收峰。所述石墨烯薄膜覆盖在具有周期性光栅结构的光栅层上，此时在红外光激发下，石墨烯等离激元被激发，进而实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。优选地，所述光栅层的厚度范围为1nm～500μm。更优选地，所述光栅层的厚度为50nm。优选地，所述衬底的材料包括但不限于硅、GST、二氧化硅、氧化铝。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件的制备方法，包括如下步骤：步骤一：制作光栅层,利用电子束曝光和干法刻蚀在所述衬底上制备光栅层；步骤二：制备石墨烯薄膜，通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法制备石墨烯薄膜；步骤三：转移石墨烯薄膜，将步骤二中制备的石墨烯薄膜转移到步骤一中制备的光栅层上；优选地，所述步骤一中，所述电子束曝光是一种光刻蚀技术的延伸，可以是其他光刻蚀技术或光刻蚀技术的延伸技术，如紫外光刻，纳米压印等；所述干法刻蚀是一种刻蚀方法，可以是其他刻蚀方法，例如湿法刻蚀等。所述光栅层具有由若干相互平行且互不接触的条带构成的周期性光栅结构；优选地，所述周期性光栅结构是由在靠近石墨烯薄膜一侧的衬底上刻蚀得出的，其中刻蚀出的条带的纵切面为下陷凹槽，所述条带与高于条带的衬底构成周期性交替结构，所述周期性交替结构的纵切面为台阶状结构。本专利技术提供一种用于增强溶液中分子以及气体分子红外信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法，所述衬底、光栅层和石墨烯薄膜一起构成微流通道，所述溶液或气体从所述微流通道的一端进入，从另外一端出来；其中所述石墨烯薄膜覆盖在具有周期性光栅结构的光栅层上，在红外光激发下，石墨烯等离激元被激发，进而实现入射光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。相对于其他石墨烯等离激元增强红外器件的结构，本专利技术可实现探测溶液中化学或生物分子(如蛋白质)的红外信号，更接近实际生理情况，有效提高了探测的准确性，同时也拓宽了石墨烯等离激元的应用领域。另外，还解决了气体探测中，红外仪器探测不到微量气体的问题。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1(a)示出了本专利技术所述用于增强溶液中蛋白质红外信号的石墨烯等离激元器件的纵切面结构示意图。图1(b)示出了图1中所述用于增强溶液中蛋白质红外信号的石墨烯等离激元器件的俯视图。图2示出了本专利技术所述用于增强溶液中蛋白质红外信号的石墨烯等离激元器件的增强效果图。图3示出了本专利技术所述用于增强溶液中蛋白质红外信号的石墨烯等离激元器件的电磁场增强图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。实施例1参见图1(a)，图1(a)为本专利技术所述用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件的纵切面结构示意图，本专利技术提供一种用于增强溶液中化学或生物分子(如蛋白质溶液)以及气体分子红外信号的石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底101、光栅层102以及石墨烯薄膜103；所述光栅层102位于所述衬底101上，所述石墨烯薄膜103覆盖于所述光栅层102上，如图1(a)所示；需要说明的是：只要所述生物溶液或化学溶液中含有具有红外吸收信号的物质，本专利技术的器件便可用于增强这类溶液中的生物或化学分子的红外吸收信号。所述溶液包括但不限于蛋白质的水溶液。参见图1(b)，所述衬底101、所述光栅层102和石墨烯薄膜103一起构成微流通道；蛋白质溶液从所述微流通道的一端流入，从另外一端流出；所述光栅层102具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增强红外信号的石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层以及石墨烯薄膜，所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层以及石墨烯薄膜一起构成微流通道；生物、化学溶液或气体从所述微流通道的一端进入，从另外一端出来。

【技术特征摘要】
1.一种用于增强红外信号的石墨烯等离激元器件，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层以及石墨烯薄膜，所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层以及石墨烯薄膜一起构成微流通道；生物、化学溶液或气体从所述微流通道的一端进入，从另外一端出来。2.根据权利要求1所述的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述光栅层具有由若干相互平行且互不接触的条带构成的周期性光栅结构，所述周期性光栅结构是由在靠近石墨烯薄膜一侧的衬底上刻蚀得出的，其中刻蚀出的条带与与条带相邻并高于条带的衬底构成周期性交替结构，所述周期性交替结构的纵切面为台阶状结构。3.根据权利要求2所述的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述周期性光栅结构包括若干个光栅周期，一个光栅周期由所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度构成；所述一个光栅周期为20nm～1μm，其中所述条带宽度为10nm～500nm，所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比为1：1，所述条带的横切面为长方形。4.根据权利要求2或3所述的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述一个光栅周期为150nm，所述条带宽度为75nm。5.根据权利要求1所述的石墨烯等离激元器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，刘宁，杨晓霞，郭相东，胡海，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11