TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器制造技术

一种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器，该传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期和占空比分别为245～255纳米和0.45～0.55，费米能级为0.65～0.75eV。当红外波段的TM偏振光垂直入射时，其对气体（折射率变化范围为1.0-1.05）的灵敏度高于2520nm/RIU，品质因子大于6.25，其对水环境中的低折射率材料（折射率变化范围为1.30-1.35）的灵敏度高于2920nm/RIU，品质因子大于6.27。通过采用不同的费米能级，该传感器可以同时用于探测气体和水环境中的低折射率材料。本发明专利技术由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器，该传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期和占空比分别为245～255纳米和0.45～0.55，费米能级为0.65～0.75eV。当红外波段的TM偏振光垂直入射时，其对气体（折射率变化范围为1.0-1.05）的灵敏度高于2520nm/RIU，品质因子大于6.25，其对水环境中的低折射率材料（折射率变化范围为1.30-1.35）的灵敏度高于2920nm/RIU，品质因子大于6.27。通过采用不同的费米能级，该传感器可以同时用于探测气体和水环境中的低折射率材料。本专利技术由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。【专利说明】TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器
本专利涉及石墨烯纳米带阵列传感器，特别是一种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器。
技术介绍
传统的表面等离子体谐振传感器，基于金属-电介质结构，主要用于可见和近红外波段。尽管如此，对于中远红外频率，表面等离子体波不再紧缚于金属-电介质界面，这使得传感器的灵敏度受到限制。为此，人们提出了中红外波段的石墨烯纳米带阵列传感器。它的基本原理是，在探测介质中，折射率的轻微变化，将导致表面等离子波矢发生变化，而这可以通过测量谐振透射峰的光谱移动来得到。石墨烯基的纳米结构可以支持高度受限的等离子体模，由于石墨烯的电导率可以通过化学或静电开关形式来进行动态调节，使得石墨烯等离子体模可以在红外-太赫兹波段实现动态调控。上述特点，使得石墨烯纳米带阵列传感器可以在很宽的波带范围内进行调谐，因此，其作为新型的传感器件具有广泛的应用前景。B.Vasic等人首先理论地探讨了利用石墨烯纳米带阵列来探测电介质环境中折射率变化的可能性，并利用石墨烯表面等离子体来探测纯的电介质以及振荡模式的扩散薄膜。尽管如此，所设计器件的外耦合效率，也就是反射效率很小(〈0.16)【在先技术1:B.Vasic et al.，J.Appl.Phys.，113，013110 (2013)】。Y.Zhao 等人提出了红外波段的透射式生物传感器，并详细研究了衬底的介电常数，费米能级以及结构参数对传感器灵敏度和精度的影响【在先技术 2:Y.Zhao et al.，Phys.Chem.Chem.Phys.，15，17118 (2013)】。尽管如此，目前所提出的基于石墨烯纳米带阵列的传感器，主要用于探测单个折射率范围。石墨烯纳米带阵列传感器，本质上是矩形槽的石墨烯光栅。矩形光栅是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术3:M.G.Moharam et al.，J.0pt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。据我们所知，到目前为止，还没有人针对红外波段给出在熔融石英衬底上制作的基于石墨烯纳米带阵列结构，可以同时用于探测氢气和水环境中的低折射率材料的传感器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器。当红外波段的TM偏振光垂直入射时，其对气体(折射率变化范围为1.0-1.05)的灵敏度高于2520nm/RIU (即每单位折射率变化引起谐振波长的变化为2520nm)，品质因子大于6.25，其对水环境中的低折射率材料(折射率变化范围为1.30-1.35)的灵敏度高于2920nm/RIU，品质因子大于6.27。通过采用不同的费米能级，该传感器可以同时用于探测气体和水环境中的低折射率材料。因此，该传感器具有重要的实用价值。本专利技术的技术解决方案如下:—种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器，其特征在于该传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期为245~255纳米和占空比为0.45~0.55，费米能级为0.65 ~0.75eV0最佳的传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期和占空比分别为250纳米和0.5，费米能级为0.7eV。本专利技术的技术效果如下:特别是当传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期和占空比分别为250纳米和0.5，费米能级为0.7eV时，当红外波段的TM偏振光垂直入射到该器件时，TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器对气体(折射率变化范围为1.0-1.05)的灵敏度为2840nm/RIU，品质因子为7.17，其对水环境中的低折射率材料的灵敏度为3280nm/RIU，品质因子为7.06。本专利技术具有使用灵活方便、折射率灵敏度高，品质因子高等优点，是一种理想的传感器件。利用电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，本专利技术可以大批量、低成本地生产，制作后的传感器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术的用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器的几何结构示意图。图中，1代表探测介质区域(折射率为n1), 2代表光栅，光栅层材料为石墨烯(Graphene), 3代表衬底(折射率为ns)，4代表TM偏振光入射。d为石墨烯纳米带阵列的周期，w为石墨烯纳米带的宽度，f=w/d为石墨烯纳米带阵列的占空比，h为石墨烯层的厚度。图2是本专利技术要求范围内一个实施例，当探测介质的折射率在1.0~1.05之间变化时，TM偏振光的零级透射效率随波长变化的曲线。图3是图2中实施例，当探测介质的折射率在1.30~1.35之间变化时，TM偏振光的零级透射效率随波长变化的曲线。【具体实施方式】下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。先请参阅图1，图1是本专利技术用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器的几何结构示意图。图中，区域1、2都是均匀的，分别为探测介质和熔融石英(折射率ns=l.45)，当探测介质为气体时，对应的折射率变化范围为n1=L O~1.05，当探测介质为水环境中的低折射率材料时，对应的折射率变化范围为n1=L 30~1.35，TM偏振光(对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面)垂直入射到该器件。由图可见，本专利技术用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器，该传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期和占空比分别为245~255纳米和0.45~0.55，费米能级为0.65~0.75eV。在如图1所示的几何结构下，本专利技术采用严格耦合波理论【在先技术3】计算了该TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器在红外波段范围内的零级透射效率。我们利用严格耦合波理论【在先技术3】和模拟退火法则【在先技术4:W.GofTe et al.，J.Econometrics60, 65-99 (1994)】进行优化，从而得到这种高灵敏度和高品质因子的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器。表1给出了本专利技术一系列实施例，表中d为石墨烯纳米带阵列的周期，w为石墨烯纳米带的宽度，f=w/d为石墨烯纳米带阵列的占空比，h为石墨烯层的厚度。Sai表示当探测介质的折射率在1.0~1.05间变化时的传感器灵敏度，FOM1为相应的品质因子。Sa2表示当探测介质的折射率在1.30~1.35间变化时的传感器灵敏度，FOM2为相应的品质因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于红外波段的TM偏振石墨烯纳米带阵列传感器，其特征在于该传感器的顶部石墨烯纳米带阵列的周期为245～255纳米和占空比为0.45～0.55，费米能级为0.65～0.75eV。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，周常河，曹红超，李树斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31