基于电场调控的红外片上光谱分析系统、制备方法、用途及其光谱重构方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统、制备方法、用途及其光谱重构方法，涉及到器件设计、器件制备的方法和简化的高精度光谱重构算法等几个方面。基于半导体纳米薄膜本征的各向异性特点，在场的作用下，表现出极强的电子、声子、空穴、激子等多体相互作用如子空穴等离子体/液体（EHP/EHL）现象，通过电场调控EHP/EHL的Franz

【技术实现步骤摘要】
基于电场调控的红外片上光谱分析系统、制备方法、用途及其光谱重构方法


[0001]本专利技术涉及一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，尤其涉及一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统的制备方法、用途及光谱重构方法，属于微型光谱分析芯片


技术介绍

[0002]光谱分析作为一种强而有力的表征手段，已被广泛应用于现代科研和工业领域当中。近年来，随着光电集成技术的飞速发展以及多元化的应用需求，片上光谱芯片(将一套完整的光谱测试系统高度集成在单个芯片上)应运而生，并迅速成为了国际前沿研究领域。片上光谱芯片的出现使得原位分析成为可能，还可用作移动终端的物质检测，智能终端的环境监测，可穿戴设备的生物传感以及高光谱成像。
[0003]然而，专利技术人通过对现有技术的实施发现由于分光策略的问题，现有的片上光谱芯片均存在一个缺陷：单位芯片面积内的光谱分辨率易受限。造成这个问题的根本原因是，现有的分光策略都是将连续光谱信息转成离散空间信息，然后成像在探测器阵列的不同位置(通道)，而成像受限于加工精度和衍射影响，一定会存在一个分辨率极限。此外，光功率被分散在探测器的不同通道，会导致每个通道的信噪比下降，进而也会对光谱分辨率造成影响。
[0004]现阶段对片上光谱芯片优化的研究工作主要分为两类：一类是设计新颖的色散结构，缩小色散结构的尺寸来提高单位器件空间上的光谱分辨率，如采用等离激元或者光子晶体；另一类是设计无色散结构，仅依靠探测器阵列自身的频谱敏感性，如采用量子点整列，通过减小探测阵列的尺寸来提高单位器件空间上的光谱分辨率。尽管采用了目前最先进的微纳加工技术以及最前沿的超材料来改进优化片上光谱芯片，但是其光谱分辨率与占用空间这对根本性矛盾依旧存在。具有色散结构的器件，光谱分辨率的提高需要增加色散元件的通道数；不具有色散结构的器件，光谱分辨率的提高则需要增加探测器的通道数，而通道数的增加，意味着器件尺寸的增大。
[0005]二维材料以其丰富的物性和独特的光电性质收到广泛的关注和研究，尤其是具有直接带隙的黑磷薄膜以其巨大的stark效应在电场作用下带隙可调以及各项异性的光学性质有望在红外探测和光发射取得突破。2021年8月耶鲁大学在《Nature Photonics》15(601)上发表了关于黑磷在电场下光谱仪工作的论文，实现了在2
‑
9μm的宽光谱探测。但是由于薄膜吸收曲线基于stark效应，所以探测器的分辨率和灵敏度依然受限。因此，在缩小片上光谱芯片尺寸的同时，实现高分辨率仍是目前亟待解决的技术难题，

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题与不足，本专利技术目的在于提供一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，其中包括基于电场调控的红外片上光谱分析系统的制备方法和光谱
重构方法，以及基于电场调控的红外片上光谱分析系统的应用。以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术公开一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，包括红外光谱分析芯片，所述红外光谱分析芯片由上至下至少包括衬底层、半导体纳米薄膜以及顶电极层；所述半导体纳米薄膜为从上至下依次包括上介质层、半导体层和下介质层的夹层结构；所述衬底层和顶电极层均通过金属电极连接探针台和外电路用于光谱测试。
[0009]进一步的，所述上介质层、下介质层为氮化硼或氧化铝薄膜介质材料，所述半导体层为黑磷薄膜，所述顶电极层为对探测波段透明的电极薄膜，所述衬底层为具有二氧化硅的高掺杂衬底。
[0010]进一步的，所述上介质层的厚度为20～30nm，所述下介质层的厚度为5～10nm；所述黑磷薄膜为10～20层，厚度为6～12nm；所述二氧化硅衬底中掺杂的二氧化硅厚度为285nm或90nm；所述顶电极层为石墨烯透明电极薄膜。
[0011]本专利技术还公开一种红外光谱分析芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1，通过机械剥离的方法从氮化硼晶体上得到底层氮化硼薄膜，将所述底层氮化硼薄膜黏贴在二氧化硅衬底上；
[0013]步骤2，采用PMDS直接从黑磷晶体上通过机械剥离的方法得到黑磷薄膜，利用转移台将所述黑磷薄膜转移到所述底层氮化硼薄膜上；
[0014]步骤3，再通过机械剥离的方法得到顶层氮化硼薄膜和石墨烯透明电极薄膜，并按先后顺序将所述顶层氮化硼薄膜和石墨烯透明电极薄膜转移至所述黑磷薄膜上。
[0015]进一步的，所述顶层氮化硼薄膜转移至所述黑磷薄膜上的具体步骤为：
[0016]步骤3
‑
1，在盖玻片上放置PDMS，将PVA胶贴在PDMS上，并用热释胶将盖玻片固定在载玻片上；
[0017]步骤3
‑
2，将所述PVA胶经过平整位置后对准剥离成功的所述顶层氮化硼薄膜轻轻下压使之接触；
[0018]步骤3
‑
3，加热使所述PVA胶与所述顶层氮化硼薄膜充分粘贴，停止加热使其降至室温再轻轻抬起载玻片，所述顶层氮化硼薄膜被PVA胶所拾取；
[0019]步骤3
‑
4，将剥离后的黑磷薄膜放在转移台的样品台上，把所述顶层氮化硼薄膜对准所述黑磷薄膜的位置处轻轻下压使之接触；
[0020]步骤3
‑
5，再将样品台进行升温，所述顶层氮化硼薄膜通过PVA胶附于所述黑磷薄膜上方；
[0021]步骤3
‑
6，把带有PVA胶的所述顶层氮化硼薄膜和所述黑磷薄膜放在去离子水中浸泡溶解PVA胶，使所述顶层氮化硼薄膜覆盖在所述黑磷薄膜的上面。
[0022]本专利技术还公开一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统的光谱重构方法，采用所述红外光谱分析芯片实现，包括以下步骤：首先，采用连续激光器得到红外光谱分析芯片的光电流I
j
，随着外加电位移矢量D
j
大小变化和波长λ
i
，它们之间光谱响应谱为R
i,j
＝R(λ
i
,D
j
)；然后，获取到对角化的光谱响应矩阵通过光电流对电位移矢量求导，根据
公式可得到待测光谱S。
[0023]本专利技术还公开一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统的应用，采用所述红外光谱分析芯片实现，应用于测试分子、原子、细胞以及薄膜或者晶体材料的光谱分析；或应用于分子官能团的吸收谱测量；或应用于实时检测气体或者溶液扩散过程。
[0024]进一步的，所述应用于分子官能团的吸收谱测量，其测量方法包括以下步骤：获取若干个电位移矢量的对角化的光谱响应谱，先后分别把待测样品放置在光路中的KBr玻璃上；选取相同数量的电位移矢量测量经过待测样品之后的光电流，与放置之前的光电流相减，即得到对应数量的吸收的光电流值；根据公式恢复出待测样品及其溶液的吸收谱。
[0025]进一步的，所述应用于实时检测气体或者溶液扩散过程，其方法具体为：获取若干个电位移矢量的对角化的光谱响应谱，先后分别把待测样品放置在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，其特征在于：包括红外光谱分析芯片，所述红外光谱分析芯片由上至下至少包括衬底层、半导体纳米薄膜以及顶电极层；所述半导体纳米薄膜为从上至下依次包括上介质层、半导体层和下介质层的夹层结构；所述衬底层和顶电极层均通过金属电极连接探针台和外电路用于光谱测试。2.根据权利要求1所述的一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，其特征在于：所述上介质层、下介质层为氮化硼或氧化铝薄膜介质材料，所述半导体层为黑磷薄膜，所述顶电极层为对探测波段透明的电极薄膜，所述衬底层为具有二氧化硅的高掺杂衬底。3.根据权利要求2所述的一种基于电场调控的红外片上光谱分析系统，其特征在于：所述上介质层的厚度为20～30nm，所述下介质层的厚度为5～10nm；所述黑磷薄膜为10～20层，厚度为6～12nm；所述二氧化硅衬底中掺杂的二氧化硅厚度为285nm或90nm；所述顶电极层为石墨烯透明电极薄膜。4.权利要求1至3中任意一项所述红外光谱分析芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过机械剥离的方法从氮化硼晶体上得到底层氮化硼薄膜，将所述底层氮化硼薄膜黏贴在二氧化硅衬底上；步骤2，采用PMDS直接从黑磷晶体上通过机械剥离的方法得到黑磷薄膜，利用转移台将所述黑磷薄膜转移到所述底层氮化硼薄膜上；步骤3，再通过机械剥离的方法得到顶层氮化硼薄膜和石墨烯透明电极薄膜，并按先后顺序将所述顶层氮化硼薄膜和石墨烯透明电极薄膜转移至所述黑磷薄膜上。5.根据权利要求4所述的红外光谱分析芯片的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述顶层氮化硼薄膜转移至所述黑磷薄膜上的具体步骤为：步骤3
‑
1，在盖玻片上放置PDMS，将PVA胶贴在PDMS上，并用热释胶将盖玻片固定在载玻片上；步骤3
‑
2，将所述PVA胶经过平整位置后对准剥离成功的所述顶层氮化硼薄膜轻轻下压使之接触；步骤3
‑
3，加热使所述PVA胶与所述顶层氮化硼薄膜充分粘贴，停止加热使其降至室温再轻轻抬起载玻片，所述顶层氮化硼薄膜被PVA胶所拾取；步骤3
‑
4，将剥离后的黑磷薄膜放在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王肖沐，王军转，郑斌杰，施毅，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：