一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器制造技术

本发明专利技术属于光电领域，具体为一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器

【技术实现步骤摘要】
一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器


[0001]本专利技术属于光电领域，具体为一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器
。

技术介绍

[0002]光谱分析技术是一种普遍的
、
通用的表征技术，它在工业生产和基础科学研究中都有着广泛应用
。
随着需求的变化，对光谱分析仪器的大小成了比分辨率更为优先考虑的指标，小型化
、
便携式的光谱仪变得极为重要
。
[0003]中红外波段是指波长为
2.5
μ
m
‑
25
μ
m
的电磁波，其不仅可用于分子含量的检测和分子类型的鉴定，还可以实现分子的成像等，是化学信息突出的光谱区，8‑
14
μ
m
的红外波段作为“生命光线”，具有极高的研究价值
。
[0004]小型化的
、
可大规模制造的红外光谱仪仍是一个重大挑战
。
不仅体现为红外波段的探测器的需要极低温的工作条件，同时体现在如何将器件体积有效缩小
。
[0005]传统的光谱仪主要利用分光模块分离不同波长的光，然后通过光电探测器阵列实现特定波段的探测，最后实现光谱分析
。
一种新颖的实现光谱小型化的方式为：将只对特定波段响应的光电探测器集成在一起，然后通过算法实现光谱分析
。
[0006]理论上石墨烯可以吸收可见到太赫兹波段的光，同时具有超高的载流子迁移率，是一种理想的光电探测材料，但是由于其低的吸收率
(2.3
％
)
导致石墨烯光电器件低的量子效率
。
[0007]表面等离激元是金属表面电子与入射电子或光子相互作用而形成的一种集体震荡行为
,
由于等离子体波能克服传统的光衍射极限
,
存在巨大的局部场增强
。
石墨烯自身就可激发等离激元效应，相比于传统贵金属等离激元，其具有更强的局域性和场增强
。
利用石墨烯等离激元效应能有效的解决石墨烯低吸收率问题
。
[0008]本专利技术的特点为利用石墨烯铁电谐振结构实现了在中红外波段
(8
‑
14
μ
m)
内可调谐的光电探测器，利用可调谐特性实现小型化的光谱仪的设计，提出的结构简单
。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于解决红外光谱仪的小型化的问题，为实现中红外波段的光谱分析提供一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器的设计方法
。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0011]本专利技术加提供了一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器，所述的光电探测器模块包括衬底
、
底电极
、
铁电层
、
光吸收层和顶电极，其中所述铁电层在底电极和光吸收层间，光吸收层为二维材料石墨烯；所述顶电极为源极电极和漏极电极，所述光吸收层为周期间隔分布设置的石墨烯条带状组成
。
[0012]上述技术方案中，石墨烯条带状周期性间隔分布的间隔为
50nm。
[0013]上述技术方案中，所述的石墨烯条带状结构由多个正方形小单元通过长方形小单
元连接而成，正方形小单元的尺寸为
50nm
×
50nm
，长方形小单元尺寸为
10nm
×
25nm。
[0014]上述技术方案中，所述的周期性结构实现的红外探测波段为8‑
14
μ
m。
[0015]本专利技术还提供了一种红外光谱仪，包括上述的石墨烯铁电等离激元探测器，后端处理模块
。
[0016]上述技术方案中，所述的红外光谱仪探测器模块的面积为
30
μ
m2。
具体实施方式
[0017]本专利技术的主要优点有：
[0018]1.
本专利技术利用石墨烯等离激元效应，设计了周期性的石墨烯类条带结构，实现了红外波段常温探测，体现为在某些特定波段具有响应，通过仿真发现，直接改变石墨条带的宽度，而不采用本申请的特殊结构是无法实现8‑
18um
波段的光电探测器的
。
[0019]2.
本专利技术设计的探测器具有可调谐性，即改变石墨烯费米能级实现不同波段的响应
。
作为光谱仪应用，从而不需要额外的光分离元件，以及探测器的个数得到减少，可以有效缩小光谱仪的尺寸
。
附图说明
[0020]图1为仿真器件的结构图
。
[0021]图2为在石墨烯费米能级为
0.5eV
时，入射波长为
9.5、10.5
和
11.5
μ
m
时石墨烯表面的电场增强图
。
[0022]图3为固定石墨烯尺寸的情况下，改变石墨烯费米能级，器件的消光率
。
[0023]图4为基于本专利技术的光谱仪与传统光谱仪结构示意图对比图
。
[0024]图5为基于不同光响应的光电探测器重构光谱的原理图
。
[0025]图6为石墨烯条带状结构示意图；
[0026]图中1‑
衬底，2‑
底电极，3‑
铁电层，4‑
顶电极，5‑
光吸收层，5‑1‑
正方形小单元，5‑2‑
长方形小单元
。
[0027]具体实现方式
[0028]下面结合附图，对本专利技术作详细的说明
。
[0029]所描述的实例是本专利技术的一部分参数实例
。
基于本专利技术中的实例，本领域普通方法人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实例，都属于本专利技术的保护范围
。
[0030]一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器，以钛酸锶
(
简称
STO)
为衬底，以镧锶锰氧为底电极
(
简称
LSMO)
，利用外延法在底电极上生长一层铁酸铋
(
简称
BFO)
，然后通过湿法转移的方式将石墨烯转移到
BFO
上，接着通过光刻和刻蚀的方式将石墨烯刻蚀成特定尺寸的周期性条带形状
。
利用压电力显微镜对
BFO
层进行畴化，然后通过改变极化电压的大小，可以实现对石墨烯费米能级的调控
。
[0031]进一步的，衬底和铁电层的厚度分别为
25nm
和7μ
m。
[0032]进一步的，上述提到的石墨烯为单层
、
高质量的石墨烯，假设其载流子迁移率为
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器，其特征在于：所述的光电探测器模块包括衬底
(1)、
底电极
(2)、
铁电层
(3)、
光吸收层
(5)
和顶电极
(4)
，其中所述铁电层在底电极和光吸收层间，光吸收层为二维材料石墨烯；所述顶电极
(4)
为源极电极和漏极电极，所述光吸收层
(5)
为周期间隔分布设置的石墨烯条带状组成
。2.
按照权利要求1所述的一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器，其特征在于：石墨烯条带状周期性间隔分布的间隔为
50nm。3.
按照权利要求2所述的一种适用于微型红外光谱仪的石墨烯铁电等离激元探测器，其特征在于：所述的类石墨烯条带状结构由多个正方形小单元
(5
‑
1)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文，王世财，汤俊，王毅，何宇豪，龚天巡，黄俊彦，林霖，于梦雅，张晓升，
申请(专利权)人：成都燎原星光电子有限责任公司，
类型：发明
国别省市：