具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器及其制备方法，包括步骤：1)提供一基板；2)于所述基板上形成电极器件，包括测试电极、供电引线、供电电极；3)提供石墨烯并转移至所述电极器件上，至少覆盖所述测试电极；4)将上述结构置于反应炉中退火；5)于退火后的所述石墨烯表面形成具有活性基团的活性薄膜；6)于所述活性薄膜表面形成光受体蛋白。本发明专利技术将石墨烯与对特定波长光辐射敏感的光受体蛋白相结合，尤其改变了本征石墨烯对光的无选择性吸收并且吸收率低的缺点，灵敏度高，响应和恢复快，稳定性好，另外，本发明专利技术工艺过程简单，成本较低，适于批量生产。

Graphene bionic photodetector with wavelength selectivity and preparation method thereof

The present invention provides a wavelength selective graphene bionic photodetector and a preparation method, including steps: 1) providing a substrate; 2) forming an electrode device on the substrate, including a test electrode, a power supply wire, a power supply electrode; 3) providing graphene and transferring to the electrode device, at least covering the test. The electrode; 4) the above structure is annealed in the reaction furnace; 5) the surface of the graphene after annealing is formed by the active film with active groups; 6) the light receptor protein is formed on the surface of the active film. The invention combines the graphene with the light receptor protein sensitive to the specific wave long light radiation, and especially changes the shortcomings of the non selective absorption and low absorption rate of the intrinsic graphene to light, high sensitivity, quick response and recovery, and good stability, in addition, the process is simple, low cost and suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器及其制备方法
本专利技术属于光电探测
，尤其涉及一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器及其制作方法。
技术介绍
光电探测器在日常生活以及军事领域有着广泛的应用，并且不同波段的光电探测器有着不同的应用。紫外波段用于观测地面低层大气紫外线强度变化以及太阳物理，临震预报研究等；可见光或近红外波段用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；红外波段用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。不同波段的光电探测器，对于不同领域有着重要意义。目前，基于半导体纳米材料的光探测器具有一定的缺陷，金属氧化物纳米线或者硅基材料大部分是用化学气相沉积的方法制备而成，该方法具有成本高、需要特定的设备、能耗高及制备方法复杂等缺点。同时，大部分半导体纳米材料对光的检测缺乏波长选择性，大大限制了光探测器的使用范围。石墨烯是英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年发现的新型二维材料。由于其独特的超高载流子迁移率，高度透明，光吸收特性，使得其在光电器件的应用上逐渐被发掘并认为是最有潜力的应用方向之一，包括光电探测器，调制器，超快锁模光纤激光器中的可饱和吸收体，透明导电薄膜等。此外，石墨烯超高的比表面积和优异的导电性使其成为酶或者蛋白质的氧化还原中心和电极表面之间的良好电子传输通道。通过对石墨烯修饰目标分子，既能快速传递电子，又能实现生物分子的选择性检测，因此石墨烯也是制备生物传感器的理想材料。同时，光受体蛋白一类对光敏感的生物分子，覆盖的波长可由红外区至紫外光区，具有波长选择性好，对光的响应速度快、吸收率高的特点。使用光受体蛋白制备的光传感器将会具备比传统光探测器更加简单的结构，更低廉的制造成本以及更高的灵敏度。现广泛研究的石墨烯光电探测器具有灵敏度高、响应速度快的特点，然而器件结构复杂，制备难度大，成本高。并且由于本征石墨烯的光学特性，器件对波长没有选择性，响应信号小。因此，如何提供一种石墨烯光探测器及其制备方法，以解决器件对波长没有选择性以及吸收率低的问题，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术缺点，本专利技术的目的在于提供一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器及其制作方法，用以解决本征石墨烯光探测器对光的无选择性探测、吸收率低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一基板；2)于所述基板上形成电极器件，所述电极器件包括测试电极、供电引线、供电电极；3)提供石墨烯，将所述石墨烯转移至所述电极器件上，其中，所述石墨烯至少完全覆盖所述测试电极；4)将步骤3)得到的结构置于化学气相沉积反应炉中退火；5)于退火后的所述石墨烯表面形成具有活性基团的活性薄膜；6)于所述活性薄膜表面形成光受体蛋白，所述光受体蛋白与所述活性薄膜的活性基团结合形成共价键，以连接所述光受体蛋白与所述活性薄膜。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述基板包括硅基体和位于所述硅基体上的绝缘层，步骤2)中的所述电极器件位于所述绝缘层表面。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，所述测试电极为叉指电极。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，所述石墨烯为本征石墨烯。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，采用直接转移法或PMMA法将所述石墨烯转移至所述电极器件上。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)具体包括：4-1)采用惰性气体对所述反应炉进行通气及排气处理；4-2)于第一温度下向所述反应炉内通入惰性气体；4-3)于第二温度下向所述反应炉内同时通入惰性气体及氢气；4-4)降低所述惰性气体及所述氢气的流量，并对所述反应炉进行降温。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4-1)中，所述惰性气体的流量为500sccm～2000sccm，所述通气及排气处理时间为2min～3min；作为本专利技术的一种优选方案，步骤4-2)中，所述第一温度为200℃～300℃，所述惰性气体的流量为500sccm～2000sccm。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4-3)中，所述第二温度为300℃～400℃，并于所述第二温度下保持5min～10min，保温后通入的所述氢气与所述惰性气体的混合气体的总流量500sccm～2000sccm，所述混合气体中所述氢气的体积分数为30％～50％，通入所述惰性气体及所述氢气的时间为40min～120min。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4-4)中，所述惰性气体的流量50sccm～200sccm，所述氢气的流量10sccm～40sccm，所述降温的方式为反应炉自然降温。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5)中，所述活性基团为活性羧基基团、活性氨基基团、活性环氧基基团、活性醛基团、活性酮基团、活性内酯基团中的至少一种。作为本专利技术的一种优选方案，形成所述活性羧基基团的步骤具体包括：5-1)于所述石墨烯表面滴涂或旋涂第一试剂，遮光放置一段时间后，冲洗并吹干，得到功能化的带有羧基的石墨烯薄膜，其中，所述第一试剂为羧酸类溶液、羧酸类衍生物溶液或者羧酸类溶液与羧酸类衍生物的混合溶液；5-2)于所述带有羧基的石墨烯薄膜上滴涂第二试剂，遮光放置一段时间后，冲洗并吹干，得到带有活性羧基基团的石墨烯活性薄膜，其中，所述第二试剂采用2-吗啉乙磺酸缓冲液配制。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5-1)中，所述第一试剂为采用有机溶剂配制的芘羧酸类溶液、芘羧酸类衍生物溶液或二者的混合溶液；所述遮光放置的温度为室温，时间为0.5～1.5h；依次采用配制所述第一试剂的所述有机溶剂以及异丙醇、去离子水对遮光放置后的所述石墨烯进行冲洗，所述吹干方式为干氮气吹干。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5-2)中，所述第二试剂为采用2-吗啉乙磺酸缓冲液分别配制的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)溶液及N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶液进行等体积均匀混合后的试剂；所述遮光放置的温度为室温，时间为1.5～2.5h；所述冲洗方式为采用去离子水冲洗，所述吹干方式为干氮气吹干。作为本专利技术的一种优选方案，步骤6)中，所述光受体蛋白为UVR8、天青蛋白、核黄素蓝光受体蛋白或细菌光敏色素蛋白中的至少一种。作为本专利技术的一种优选方案，所述核黄素蓝光受体蛋白第32，47，81，116位中，至少一位上的精氨酸突变成赖氨酸。作为本专利技术的一种优选方案，突变后的核黄素蓝光受体蛋白的氨基酸序列如SEQIDNO.1～5之任一所示。本专利技术还提供一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器，包括：基板；电极器件，形成于所述基板上，其中，所述电极器件包括测试电极、供电引线、供电电极；石墨烯，位于所述电极器件上；活性薄膜，形成于所述石墨烯的表面；光受体蛋白，形成于所述活性薄膜上。作为本专利技术的一种优选方案，所述基板包括硅基体和位于所述硅基体上的绝缘层，所述电极器件位于所述绝缘层表面，所述石墨烯至少覆盖所述电极器件的所述测试电极。作为本专利技术的一种优选方案，所述测试电极为叉指电极。作为本专利技术的一种优选方案，所述活性薄膜为具有活性基团的石墨烯活性薄膜，所述活性基团为活性羧基基团、活性氨基基团、活性环氧基基团、活性醛基团、活性酮基团、活性内酯基团中的至少一种，所述光受体蛋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一基板；2)于所述基板上形成电极器件，所述电极器件包括测试电极、供电引线、供电电极；3)提供石墨烯，将所述石墨烯转移至所述电极器件上，其中，所述石墨烯至少完全覆盖所述测试电极；4)将步骤3)得到的结构置于化学气相沉积反应炉中退火；5)于退火后的所述石墨烯表面形成具有活性基团的活性薄膜；6)于所述活性薄膜表面形成光受体蛋白，所述光受体蛋白与所述活性薄膜的活性基团结合形成共价键，以连接所述光受体蛋白与所述活性薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一基板；2)于所述基板上形成电极器件，所述电极器件包括测试电极、供电引线、供电电极；3)提供石墨烯，将所述石墨烯转移至所述电极器件上，其中，所述石墨烯至少完全覆盖所述测试电极；4)将步骤3)得到的结构置于化学气相沉积反应炉中退火；5)于退火后的所述石墨烯表面形成具有活性基团的活性薄膜；6)于所述活性薄膜表面形成光受体蛋白，所述光受体蛋白与所述活性薄膜的活性基团结合形成共价键，以连接所述光受体蛋白与所述活性薄膜。2.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述基板包括硅基体和位于所述硅基体上的绝缘层，步骤2)中的所述电极器件位于所述绝缘层表面。3.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述测试电极为叉指电极。4.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述石墨烯为本征石墨烯。5.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用直接转移法或PMMA法将所述石墨烯转移至所述电极器件上。6.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤4)具体包括：4-1)采用惰性气体对所述反应炉进行通气及排气处理；4-2)于第一温度下向所述反应炉内通入惰性气体；4-3)于第二温度下向所述反应炉内同时通入惰性气体及氢气；4-4)降低所述惰性气体及所述氢气的流量，并对所述反应炉进行降温。7.根据权利要求6所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤4-1)中，所述惰性气体的流量为500sccm～2000sccm，所述通气及排气处理时间为2min～3min。8.根据权利要求6所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤4-2)中，所述第一温度为200℃～300℃，所述惰性气体的流量为500sccm～2000sccm。9.根据权利要求6所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤4-3)中，所述第二温度为300℃～400℃，并于所述第二温度下保持5min～10min，保温后通入的所述氢气与所述惰性气体的混合气体的总流量500sccm～2000sccm，所述混合气体中所述氢气的体积分数为30％～50％，通入所述惰性气体及所述氢气的时间为40min～120min。10.根据权利要求6所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤4-4)中，所述惰性气体的流量50sccm～200sccm，所述氢气的流量10sccm～40sccm，所述降温的方式为反应炉自然降温。11.根据权利要求1所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述活性基团为活性羧基基团、活性氨基基团、活性环氧基基团、活性醛基团、活性酮基团、活性内酯基团中的至少一种。12.根据权利要求11所述的具有波长选择性的石墨烯仿生光探测器的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，王伊，仝敬，张蕾，高安然，张东伟，宋海峰，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，北京正旦国际科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31