本發(fā)明涉及紅外光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于紅外光譜襯底的制備方法。

背景技術(shù)：

紅外光譜技術(shù)是一種直接探測(cè)分子振動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行特征識(shí)別及定量分析的技術(shù)及方法。該技術(shù)具有高度的“指紋”特征性，無需樣品標(biāo)記，響應(yīng)速度快，儀器普及率最高，光譜圖庫最齊全等優(yōu)點(diǎn)，是確定分子組成、構(gòu)象和結(jié)構(gòu)變化信息的強(qiáng)力工具和不可或缺的手段，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、化學(xué)組成分析、爆炸物檢測(cè)和生物醫(yī)療等關(guān)系國計(jì)民生及國民經(jīng)濟(jì)命脈的重要領(lǐng)域。

紅外光譜分析中基底的紅外光譜信號(hào)對(duì)于樣品的測(cè)量結(jié)果有十分重要的影響。目前常用的紅外窗口材料如MgF₂，CaF₂，BaF₂，NaCl，AMTIR,AgBr，KCl，KRS-5，CsBr，Csl，ZnS，ZnSe，Ge，Diamond，Si，Silica SiO₂ IR Grada，石蠟，沒有一種能夠?qū)崿F(xiàn)指紋區(qū)至官能團(tuán)區(qū)域(400cm^-1至6000cm^-1)的全譜高透過率。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)在不同的測(cè)量波段選擇不同的窗口基底，給實(shí)驗(yàn)者帶來不便；即使在透光波段這些材料由于折光因素的影響也很難達(dá)到超過97％的透光率。另外，這些常用的紅外窗口材料自身也存在一定的問題，例如NaCl和KBr易容于水，石蠟自身的紅外吸收活性較強(qiáng)、BaF₂脆性大，Diamond價(jià)格昂貴等。這些問題對(duì)于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確的紅外光譜測(cè)量帶來諸多困擾。

因此，需要研發(fā)一種具有高透過率和低折光率，并能覆蓋近紅外至遠(yuǎn)紅外波段紅外光測(cè)量的紅外光譜襯底。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種紅外光譜襯底的制備方法，包括如下步驟：1)選取支撐基底：支撐基底的幾何尺寸為500μm-5cm；橫向切面形狀為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形；支撐基底的厚度為1μm-5cm；2)利用機(jī)械加工、干法或者濕法刻蝕的方法，在支撐基底上制備通孔結(jié)構(gòu)；通孔的橫向切面為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形，通孔以陣列形式排布，通孔陣列的中心與基底的幾何中心基本保持一致，通孔之間的間距為1μm-4cm；3)轉(zhuǎn)移襯底材料和其保護(hù)層至通孔表面：利用標(biāo)準(zhǔn)的濕法轉(zhuǎn)移工藝，將厚度為0.3nm-1000nm的襯底材料和其保護(hù)層轉(zhuǎn)移至樣品表面，將樣品晾干并且加熱使得轉(zhuǎn)移的薄膜與基底貼合緊密；4)對(duì)通孔的背面進(jìn)行密封：利用另一塊基底材料貼合至背面通孔處，使用玻璃膠將背面的通孔密封；5)去除樣品表面的保護(hù)層：將樣品放置于丙酮或者去保護(hù)層溶劑里，去除表面的保護(hù)層；6)拆除樣品背面的密封結(jié)構(gòu)：將樣品清洗干凈并且晾干以后拆除背面的密封基底。

優(yōu)選地，所述支撐基底選用金屬或無機(jī)晶體或有機(jī)塑料。

優(yōu)選地，所述支撐基底選用鋁、銅、金、鋼。

優(yōu)選地，所述支撐基底選自硅，石英、氟化鈣。

優(yōu)選地，所述支撐基底選用厚度為500μm的硅片。

優(yōu)選地，所述通孔的橫向切面為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形。

優(yōu)選地，所述通孔的孔徑為25μm-5cm。

優(yōu)選地，所述襯底材料選自1層至1000層厚度的石墨烯，二硫化鉬，氮化硼，MX₂，黑磷。

優(yōu)選地，所述MX₂中M選自Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Re，X選自S,Se,Te。

優(yōu)選地，所述保護(hù)層選自材料PMMA、PVA或PDMS。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1A為紅外光譜襯底的剖面圖；圖1B為紅外光譜襯底的俯視圖。

圖2為用于紅外光譜的襯底的結(jié)構(gòu)實(shí)物示例圖。

圖2A為單層石墨烯作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(圓形通孔，直徑250μm)；圖2B為單層石墨烯作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖電子顯微鏡示意圖(圓形通孔，直徑250μm)；圖2C為單層二硫化鉬作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(方形通孔，邊長100μm)；圖2D為單層氮化硼作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(方形通孔，邊長100μm)。

圖3為本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的材料與氟化鈣用于紅外光譜襯底的透過率對(duì)比圖。

圖4為本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的實(shí)際應(yīng)用展示。

圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的制作方法示意圖。

所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這里所描述的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發(fā)明提供了一種用于紅外光譜的襯底。圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖1A為紅外光譜襯底的剖面圖；圖1B為紅外光譜襯底的俯視圖。如圖1A和圖1B所示，這種襯底結(jié)構(gòu)包括：窗口層101和支撐基底102，窗口層101位于支撐基底102之上，厚度為0.3nm-1000nm，采用的是單原子層至1000個(gè)原子層的具有極其優(yōu)異的紅外透光性能的二維材料，比如：1層至1000個(gè)原子層厚度的石墨烯，二硫化鉬，氮化硼，MX₂(M＝Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Re；X＝S,Se,Te)，黑磷。支撐基底的橫向切面形狀為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形，所述支撐基底的幾何尺寸為500μm-5cm，厚度為1μm-5cm，支撐基底選用的是堅(jiān)固、平整穩(wěn)定的材料，比如金屬(Al、Cu、Au、鋼等)、無機(jī)晶體(硅，石英、氟化鈣等)和有機(jī)塑料等。支撐基底上設(shè)置有若干(1-25個(gè))通孔結(jié)構(gòu)103，通孔以陣列形式排布，通孔陣列的中心與基底的幾何中心基本保持一致，通孔之間的間距為1μm-4cm；通孔的孔徑為25μm-5cm，通孔的橫向切面為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形。支撐基底加工通孔結(jié)構(gòu)的目的是用于形成懸空的窗口，也就是說，支撐基底上通孔的部位對(duì)應(yīng)懸空的窗口層104。懸空的窗口層104主要是利用懸空的單原子層至100個(gè)原子層的二維材料具有極其優(yōu)異的紅外透光性能來實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)的目的。

圖2為用于紅外光譜的襯底的結(jié)構(gòu)實(shí)物示例圖。其中，圖2A為單層石墨烯作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(圓形通孔，直徑250μm)；圖2B為單層石墨烯作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖電子顯微鏡示意圖(圓形通孔，直徑250μm)；圖2C為單層二硫化鉬作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(方形通孔，邊長100μm)；圖2D為單層氮化硼作為懸空窗口層的光學(xué)顯微鏡照片圖(方形通孔，邊長100μm)。

如圖2所示，使用這種特殊的轉(zhuǎn)移方法可以成功轉(zhuǎn)移懸空的大面積的單層、雙層以及多層二維材料，并且制備的樣品完整、干凈。這些懸空的二維材料(窗口層)因?yàn)楹穸葮O小，因此具有極大的比表面，但是由于它們的微觀機(jī)械性能、化學(xué)性能和熱力學(xué)性能穩(wěn)定，因此可以作為窗口層支撐待測(cè)的分子。另外，由于這些材料本身沒有或只有很小的本征吸收以及它們優(yōu)異的透過率和低的折射率和散射能力的性質(zhì)，因此它們作為窗口材料具有比傳統(tǒng)窗口材料更加優(yōu)異的性能。

圖3為本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的材料與氟化鈣用于紅外光譜襯底的透過率對(duì)比圖。從圖3可以看出，對(duì)比常用的CaF₂窗口材料，本發(fā)明開發(fā)的單層石墨烯、單層二硫化鉬、單層氮化硼這幾種襯底在全譜范圍內(nèi)都具有很高的透過率，幾乎接近100％。

圖4為本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的實(shí)際應(yīng)用展示。圖4為1mm厚度的CaF₂、2nm厚度的Graphene和2nm厚度的MoS₂作為襯底測(cè)量PEO薄膜的吸收率對(duì)比圖。如圖4可見，在測(cè)量20nm的PEO薄膜時(shí)，CaF₂襯底由于在低波數(shù)的透過率很低，因此在測(cè)量的PEO吸收光譜的低波數(shù)范圍內(nèi)出現(xiàn)斜線的背景的干擾信號(hào)，使部分波數(shù)范圍內(nèi)的吸收信號(hào)已經(jīng)降低到信噪比之下，如圖中箭頭所示的波數(shù)處的吸收峰，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。而Graphene和MoS₂這兩種襯底由于在全譜范圍內(nèi)都具有很高的透過率，因此基線是直線，獲得了清晰的樣品本征吸收光譜。而本發(fā)明的這兩種襯底由于在全譜范圍內(nèi)都具有很高的透過率，對(duì)于本征信號(hào)的干擾很低，此時(shí)清晰可見樣品的吸收信號(hào)。

圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的制作方法示意圖。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的用于紅外光譜的襯底的制作方法包括以下步驟：

步驟501：選取支撐基底，支撐基底選用堅(jiān)固、平整穩(wěn)定的材料，比如金屬(Al、Cu、Au、鋼等)、無機(jī)晶體(硅，石英、氟化鈣等)和有機(jī)塑料等，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中選用厚度為500μm的硅片作為襯底；將支撐基底加工成合適與紅外光譜測(cè)量的大小，優(yōu)化的幾何尺寸為500μm-5cm；支撐基底的橫向切面形狀為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形；厚度為1μm-5cm；

步驟502：在支撐基底上制備通孔結(jié)構(gòu)，此步驟利用機(jī)械加工、干法或者濕法刻蝕的方法制作若干(1-25個(gè))通孔結(jié)構(gòu)，通孔的橫向切面為圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、五角形結(jié)構(gòu)、正六邊形、八角形，孔徑為25μm-5cm；通孔以陣列形式排布，通孔陣列的中心與基底的幾何中心基本保持一致，通孔之間的間距為1μm-4cm；

步驟503：轉(zhuǎn)移襯底材料a(選自1層至1000個(gè)原子層厚度的石墨烯(厚度0.3nm-1000nm)，二硫化鉬，氮化硼，MX₂(M＝Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Re；X＝S,Se,Te)，黑磷)和其保護(hù)層b(選自PMMA、PVA或PDMS等)至通孔表面，利用標(biāo)準(zhǔn)的濕法轉(zhuǎn)移工藝，將襯底材料a和其保護(hù)層b轉(zhuǎn)移至樣品表面，將樣品晾干并且加熱使得轉(zhuǎn)移的薄膜與基底貼合緊密；

步驟504：對(duì)通孔的背面進(jìn)行密封，利用另一塊基底材料貼合至背面通孔處，使用玻璃膠c(或者其它方法)將背面的通孔密封；

步驟505：去除樣品表面的保護(hù)層，將樣品放置于丙酮或者其它去保護(hù)層溶劑里，去除表面的保護(hù)層；

步驟506：拆除樣品背面的密封結(jié)構(gòu)，將樣品清洗干凈并且晾干以后拆除背面的密封基底，制作出如圖5所示的紅外光譜的襯底，這種襯底的結(jié)構(gòu)自上而下包括：懸空的窗口層和支撐基底。

本發(fā)明利用懸空的單原子至1000個(gè)原子層厚度的二維材料(厚度為0.3nm至1000nm)具有極其優(yōu)異的紅外透光性能，實(shí)現(xiàn)一種用于紅外光譜測(cè)量的襯底；由于這種襯底具有異常良好的透過率和極低的折光率，因而能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋近紅外至遠(yuǎn)紅外波段的紅外光譜測(cè)量。并且，其對(duì)于樣品信號(hào)的影響極低，具有很好的性噪比。我們開發(fā)的這種基于二維材料薄膜的紅外窗口材料在紅外光譜測(cè)量中具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。