一种柔性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柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层以及电介质层，石墨烯层覆盖于柔性衬底上，源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；源极与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构；本发明专利技术的柔性石墨烯等离激元器件具有柔性功能，在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能。另外，本发明专利技术的柔性石墨烯等离激元器件具有良好的耐用性能。

Flexible graphene plasmon element and its preparation method

The invention provides a flexible graphene plasmon exciting element, which comprises a flexible substrate, a graphene layer, a source and drain metal layer, and a dielectric layer arranged from bottom to top, a graphene layer covering a flexible substrate, a source and drain metal layer deposited on a graphene layer, and a source and drain metal layer deposited on a graphene layer by graphene. The graphene layer is sandwiched with a dielectric layer between the graphene layer and the source and drain metal layers to form a parallel plate capacitor structure; the local area of the graphene layer between the source and drain metal layers has a periodic micro-nanostructure; and the flexible graphene plasmon exciting element of the present invention has a flexible function and can be bent flexibly. It has good stability of plasmon. In addition, the flexible graphene like plasmon element has good durability.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法
本专利技术涉及红外光探测
，特别涉及一种柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，单层石墨的厚度约0.35nm。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的力学、热学、电学和光学特性，在电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯基光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。石墨烯这种单原子层的二维材料与微米波长的红外相互作用很弱，因此将其制备为纳米结构以后可以激发石墨烯表面等离激元。这种在石墨烯纳米结构上激发的等离激元具宽波段响应、低本征衰减、高的电磁场束缚效应和高的局域电磁场强度以及可调控的性能等优点，在生物探测、光电探测器、波导器件等领域具有潜在应用价值。但是，目前的石墨烯等离激元器件均制备在坚硬基底上制备如硅，氮化硅，玻璃等。这些基底不具有柔韧性，难以满足实际应用中弯曲、拉伸、变形甚至可穿戴的需求，限制石墨烯等离激元的应用。因此，需要一种具有柔性功能、石墨烯等离激元具有可调性的柔性石墨烯等离激元器件及其制备方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层，以及电介质层，所述石墨烯层覆盖于所述柔性衬底上，所述源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述电介质层位于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；所述源极与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构；其中，所述电介质层可位于石墨烯层上方，构成顶栅结构，所述电介质层还可位于石墨烯层下方，构成底栅结构；优选地，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；优选地，所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。优选地，所述电介质层的材料选自：离子液体、离子凝胶、NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。优选地，所述台阶状的结构为盲孔或通孔的结构。优选地，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构。优选地，所述圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。优选地，所述电介质层的厚度范围为：10-1000nm。根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供一种柔性石墨烯等离激元器件的制备方法，包括如下步骤：步骤一：选择柔性衬底；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获取石墨烯薄膜；步骤三：转移石墨烯薄膜将石墨烯转移至柔性衬底上；步骤四：利用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀，在石墨烯层上制备周期性微纳米结构；步骤五：制作源极与漏极金属层，利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备电极；步骤六：利用电子束蒸镀、原子沉积或旋涂方法制备电介质层；步骤七：利用紫外光刻、原子沉积或分子束外延生长的方法制备栅极电极；优选地，步骤一中所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。优选地，步骤四中所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构；所述台阶状的结构为通孔或盲孔的结构。优选地，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构。优选地，其中圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正六边形、长方形、五角形结构的孔径为10-1000nm。本专利技术的石墨烯柔性等离激元器件的有益效果为：(1)具有柔性功能，可实现一般坚硬基底难以实现的功能如弯曲、扭曲和拉伸功能，可作为非平面的等离激元器件。(2)在柔性弯曲作用下，具有很好的等离激元稳定性能。在弯曲半径达到1mm左右，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。理论模拟证实，其稳定性可达到弯曲半径低于100nm。(3)具有良好的耐用性能，在弯曲半径为3mm左右，弯曲次数达到1000个循环以上，等离激元的共振频率，吸收强度和品质因子几乎保持不变。(4)柔性石墨烯等离激元具有可调性，能够在红外检测中实现几何尺寸调控、介电基底调控以及独特的电压调制，结合这几种调制能够实现从近红外到中、远红外波段的区域(400-4000cm-1)的响应。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示出了本专利技术的柔性石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图。图2示出了本专利技术的石墨烯微纳米结构的纵向剖面放大图。图3示出了本专利技术的柔性石墨烯等离激元器件周期性微纳米结构的横向切面图。图4示出了本专利技术的柔性石墨烯等离激元器件的优选实施例的结构示意图。图5示出了本专利技术的柔性石墨烯等离激元器件的制备方法流程图。以上所述附图仅为示意性的，并且未按比例画出。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。参见图1-图4，为本专利技术的柔性石墨烯等离激元器件的纵向剖面示意图，本专利技术提供一种柔性石墨烯等离激元器件，所述柔性石墨烯等离激元器件100包括自下而上依次设置的柔性衬底110、石墨烯层120、电介质层130、源极140与漏极金属层150。所述石墨烯层120覆盖于所述柔性衬底110之上，源极金属层140与漏极金属层150沉积在石墨烯层120上，源极金属层140与漏极金属层150由石墨烯导通，所述电介质层130沉积在石墨烯层120上，如图1、图4所示。具体地，本专利技术采用的所述柔性衬底110可以进行弯折、扭曲和拉伸等功能，可以实现等离激元的柔性功能。另外，柔性衬底110在多次弯折以后保持不被破坏，以保证器件的耐用性能。所述柔性衬底110可选用但不限于：(1)塑料聚合物衬底，包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI等。(2)无机柔性衬底，包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物等。参见图4，为本专利技术的优选实施例，所述柔性衬底110为云母，云母具有优异的柔性性能和和光学透过率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层，以及电介质层，所述石墨烯层覆盖于所述柔性衬底上，所述源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述电介质层位于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；所述源极与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构。

【技术特征摘要】
1.一种柔性石墨烯等离激元器件，包括：自下而上依次设置的柔性衬底、石墨烯层、源极与漏极金属层，以及电介质层，所述石墨烯层覆盖于所述柔性衬底上，所述源极与漏极金属层沉积在石墨烯层上，源极与漏极金属层由石墨烯导通；所述电介质层位于石墨烯层的上方，所述石墨烯层与源极与漏极金属层之间夹着电介质层，构成类似平行板电容器结构；所述源极与漏极金属层之间的石墨烯层的局部区域具有周期性微纳米结构。2.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述电介质层位于石墨烯层上方，构成顶栅结构，或者所述电介质层位于石墨烯层下方，构成底栅结构。3.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述周期性微纳米结构包含多个连续纵剖面为台阶状的结构，所述台阶状的结构为盲孔或通孔的结构。4.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述柔性衬底的材料选自：塑料聚合物衬底或无机柔性衬底，所述塑料聚合物衬底包括：PET、PEN、PEEK、PC、PESPAR、PCO、PI；所述无机柔性衬底包括：云母、PDMS、超薄玻璃、纸质衬底、水凝胶聚合物。5.根据权利要求1所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述电介质层的厚度范围为10-1000nm，材料选自：离子液体、离子凝胶、NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。6.根据权利要求3所述的柔性石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述通孔或盲孔的横向切面为圆环形、圆形、椭圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，胡海，杨晓霞，郭相东，胡德波，
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