本實(shí)用新型屬于光電傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器。

背景技術(shù)：

紅外檢測(cè)技術(shù)有著極其廣泛的應(yīng)用，并且隨著紅外檢測(cè)技術(shù)的不斷的發(fā)展及普及，新的應(yīng)用被不斷開發(fā)。目前主要集中在四種商業(yè)用途：紅外熱像儀，汽車主動(dòng)安全技術(shù)，智能手機(jī)中的紅外成像及監(jiān)控領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2017年底，商用成像市場(chǎng)份額將超過軍事用途，占據(jù)市場(chǎng)50%以上，達(dá)到30億美金。紅外熱像儀應(yīng)用集中在電氣設(shè)備檢測(cè)、機(jī)電設(shè)備檢測(cè)、建筑檢測(cè)及產(chǎn)品品質(zhì)控制。將紅外傳感器安裝于車輛上，可以在夜間或霧、霾等氣候條件下有效地提高駕駛員視距，從而成為重要的安全駕駛輔助手段。

目前紅外探測(cè)技術(shù)主要有兩種：制冷式窄帶半導(dǎo)體探測(cè)和非制冷式熱量傳感器。制冷式窄帶半導(dǎo)體例如InSb和HgCdTe具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，然而，復(fù)雜的加工流程和制冷設(shè)備的要求大大提高其加工成本。非制冷式熱量傳感器無需外加制冷設(shè)備，主要依靠熱敏感元件受熱電阻發(fā)生改變來進(jìn)行檢測(cè)。其成本較低，但是靈敏度及響應(yīng)速度不及制冷式窄帶半導(dǎo)體。而且，不論是制冷式還是非式制冷探測(cè)器，都只能針對(duì)某一較寬的紅外波長(zhǎng)范圍進(jìn)行檢測(cè)，無法有效區(qū)分不同波長(zhǎng)的紅外光。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型涉及一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器。

本實(shí)用新型提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器，包括硅片，部分的硅片的拋光面上具有連續(xù)且厚度均勻的絕緣層，絕緣層的上方具有連續(xù)且厚度均勻的電極層，部分的電極層以及部分的硅片上方具有感光納米石墨烯材料層，剩余全部的電極層、感光納米石墨烯材料層的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通過光刻制備的光子晶體部分。

所述絕緣層與電極層之間具有連接層，所述硅片的厚度為300到1000微米，所述絕緣層的厚度為200-500納米，所述絕緣層的材質(zhì)為二氧化硅，所述電極層的厚度為100到300納米，所述電極層的材質(zhì)為金，所述連接層的厚度為20到30納米，所述連接層的材質(zhì)為鉻，所述感光納米石墨烯材料層的厚度為1到3層碳原子，面積為100到1000000平方微米。

所述光子晶體部分形成為周期性排列的六邊形或者圓形孔洞，所述光子晶體部分的厚度為400-700納米，光子晶體周期為4到10微米，圓形孔洞直徑或六邊形外接圓直徑與光子晶體周期之比為0.6到0.8之間。

本實(shí)用新型還提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器，包括表面具有二氧化硅層的硅片，于具有二氧化硅層一側(cè)的部分的硅片上方具有電極層，電極層分為形成為處于硅片上方兩端的兩個(gè)間隔的部分，部分的電極層以及部分的硅片上方具有感光納米石墨烯材料層，剩余全部的電極層、感光納米石墨烯材料層的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通過光刻制備的光子晶體部分。

所述具有二氧化硅層一側(cè)的部分的硅片與電極層之間具有連接層，所述硅片的厚度為300到1000微米，所述二氧化硅層的厚度為200-500納米，所述電極層的厚度為100到300納米，所述電極層的材質(zhì)為金，所述連接層的厚度為20到30納米，所述連接層的材質(zhì)為鉻，所述感光納米石墨烯材料層的厚度為1到3層碳原子，面積為100到1000000平方微米。

所述光子晶體部分形成為周期性排列的六邊形或者圓形孔洞，所述光子晶體部分的厚度為400-700納米，光子晶體周期為4到10微米，圓形孔洞直徑或六邊形外接圓直徑與光子晶體周期之比為0.6到0.8之間。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，使用新型納米石墨烯材料作為感光材料,具有高電子遷移率及寬波段光響應(yīng)率的優(yōu)點(diǎn)；

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，加入光子晶體匯聚特定波長(zhǎng)紅外線，提高了光響應(yīng)率；

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，利用光子晶體實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線的高靈敏檢測(cè)；

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，通過化學(xué)摻雜調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的不同靈敏度檢測(cè)；

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，其制備過程簡(jiǎn)單，成本低；

本實(shí)用新型相比于傳統(tǒng)紅外探測(cè)器，是一種無需制冷的量子傳感器。

附圖說明

圖1A是本實(shí)用新型具有石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1B是本實(shí)用新型中具有金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2A是本實(shí)用新型中制備具有石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的方法流程圖；

圖2B是本實(shí)用新型中制備具有金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的方法流程圖；

圖3是光子晶體部分的的原子力顯微鏡圖像；

圖4是本實(shí)用新型中基于光子晶體的石墨烯紅外傳感器對(duì)不同波段紅外線光響應(yīng)率的檢測(cè)比較（使用與不使用光子晶體的比較）；

圖5是利用原子力顯微鏡表面處理前和表面處理后的石墨烯圖像及截面高度圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本實(shí)用新型并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器，其制備是通過一種對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線的光響應(yīng)放大方法，通過設(shè)計(jì)光子晶體結(jié)構(gòu)及尺寸以產(chǎn)生更高靈敏度的光電傳感器。對(duì)于特定波長(zhǎng)紅外線，通過設(shè)計(jì)光子晶體周期及缺陷位置和尺寸，光子晶體可以將入射紅外線匯聚到石墨烯表面以達(dá)到增強(qiáng)光響應(yīng)率的目的。石墨烯吸收紅外線能量后，產(chǎn)生光致載流子，在外加電場(chǎng)的作用下，被電極收集形成光電流。石墨烯作為感光材料，通過聚酸甲酯轉(zhuǎn)移的方法，放置于硅基底上形成石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外感測(cè)器，或者放置于預(yù)先做好電極的具有二氧化硅層的硅片上，形成金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外感測(cè)器?；谠恿︼@微鏡的納米機(jī)器人被用于處理石墨烯表面進(jìn)而提高石墨烯電子遷移率等電學(xué)性質(zhì)。通過表面摻雜技術(shù)向石墨烯注入富余電子，調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而控制石墨烯在不同波段的吸光率，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波段的響應(yīng)。本實(shí)用新型采用SU-8型光刻膠作為光子晶體制備材料，直接旋涂于感光納米石墨烯材料層、電極層以及硅片上方表面，通過光刻技術(shù)，利用預(yù)先圖形化的鉻板掩膜來制備高精度的光子晶體部分。

本實(shí)用新型提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器,分別由于采用基底的區(qū)別有兩種不同的結(jié)構(gòu)，分別如圖1A和圖1B所示。

如圖1A所示，所述石墨烯紅外傳感器具有石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),具體包括：

硅片，其厚度為300到1000微米，為P型硅或者N型硅，其電阻率1-10歐姆·厘米；

部分的該硅片上方具有連續(xù)的、非間斷的且厚度均勻的絕緣層，其材質(zhì)為二氧化硅，厚度為200-500納米；

設(shè)置于絕緣層上方的連續(xù)的、非間斷的且厚度均勻的電極層，該電極層利用濺射方法沉積，其先于絕緣層上方連續(xù)的、非間斷的且厚度均勻的沉積20到30納米厚的金屬鉻作為連接層，然后再于連接層上方沉積100到300納米厚的金作為電極層；

利用轉(zhuǎn)移方法于部分的電極層上方以及未設(shè)置有絕緣層的部分的硅片上方設(shè)置感光納米石墨烯材料層，感光納米石墨烯材料層的厚度為1到3層碳原子，面積范圍為100到1000000平方微米（其與電極層以及需要覆蓋的部分硅片的面積相對(duì)應(yīng)）；以及

于感光納米石墨烯材料層上方、剩余全部的電極層上方、未設(shè)置有絕緣層和感光納米石墨烯材料層的剩余全部的硅片的上方通過光刻技術(shù)制備的光子晶體部分，該光子晶體部分的厚度為700納米左右，光子晶體部分的光子晶體周期為4到10微米之間，其覆蓋整個(gè)產(chǎn)品的表面。

如圖1B所示，所述石墨烯紅外傳感器具有金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu),具體包括：

硅片，其厚度為100到300納米，該硅片采用某一層表面具有二氧化硅層的硅片，選擇這種類型的硅片由于已經(jīng)具有二氧化硅層作為絕緣層，因此后續(xù)步驟中可以省略沉積絕緣層的步驟，其中二氧化硅層的二氧化硅絕緣層的厚度為200到500納米；

設(shè)置于部分硅片上方的處于硅片上方兩端的電極層，該電極層利用濺射方法沉積，其先于具有二氧化硅層一側(cè)的硅片上方沉積20到30納米厚的金屬鉻作為連接層，然后再于連接層上方沉積100到300納米厚的金作為電極層；

利用轉(zhuǎn)移方法于部分的電極層上方以及未設(shè)置有電極層的部分的硅片上方設(shè)置感光納米石墨烯材料層，感光納米石墨烯材料層的厚度為1到3層碳原子，面積范圍為100到1000000平方微米（與電極層的電極區(qū)域面積匹配）；以及

于感光納米石墨烯材料層上方、剩余全部的電極層上方、未設(shè)置有絕緣層和感光納米石墨烯材料層的剩余全部的硅片的上方通過光刻技術(shù)制備的光子晶體部分，該光子晶體部分的厚度為700納米左右，光子晶體部分的光子晶體周期為4到10微米之間，其覆蓋整個(gè)產(chǎn)品的表面。

以上兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于基底所采用硅片的形式不同，如采用普通的硅片即不帶有二氧化硅層的硅片，則其需要于基片上方沉積絕緣層，進(jìn)而形成石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),如采用具有二氧化硅層的硅片，則不需要于硅片上方沉積絕緣層，可直接于部分的硅片上方沉積電極層，進(jìn)而形成金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型還提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器，對(duì)應(yīng)制備具有石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的制備方法，如圖2A所示，包括以下幾個(gè)主要步驟：

步驟1：如圖2A中的S1，預(yù)清洗硅片，該硅片厚度為300到1000微米，為P型硅或者N型硅，電阻率為1-10歐姆·厘米；

步驟 2：如圖2A中的S2，利用光刻技術(shù)于硅片上方制備3微米左右圖形化的AZ5214E光刻膠層（即于硅片上方部分沉積光刻膠層，而非表面完全沉積光刻膠層）；

步驟 3：如圖2A中的S3（圖中未示出連接層），于圖形化的光刻膠層上方利用濺射方法沉積200納米到500納米厚的二氧化硅材質(zhì)的絕緣層，再于所述絕緣層的上方利用濺射方法先沉積20納米到30納米厚的金屬鉻作為連接層，再于連接層上方沉積100納米到300納米厚的金作為電極層；

步驟 4：如圖2A中的S4，使用有機(jī)溶劑溶解光刻膠層，進(jìn)而使被去除的光刻膠層上方的連接層、絕緣層和電極層均被去除。直接沉積于硅基底上的連接層、電極層和絕緣層均被保留下來；

步驟 5：如圖2A中的S5，利用濃度為20毫克每毫升的聚酸甲酯溶液（溶劑為氯仿）轉(zhuǎn)移圖形化后的、方形石墨烯至預(yù)先做好電極層以及部分的硅片上方。通過步驟5完成中間產(chǎn)品上，石墨烯并不完全鋪滿整個(gè)電極層以及基底的表面，而是鋪設(shè)于部分的硅片上方以及部分的電極層上方，如圖2A所示，兩個(gè)鋪設(shè)的部分是連續(xù)的鋪設(shè)，不形成間斷；

步驟 6：利用有機(jī)溶劑溶解聚酸甲酯，形成感光納米石墨烯材料層；

步驟 7：利用原子力顯微鏡接觸式掃描模式對(duì)制備得到的感光納米石墨烯材料層進(jìn)行表面雜質(zhì)去除處理，表面雜質(zhì)覆蓋率降低95%，如圖5所示，利用進(jìn)而提高電子遷移率至800到1000cm²/Vs；

步驟 8：利用氯化金溶液向感光納米石墨烯材料層進(jìn)行摻雜（注入電子濃度為1.23-1.4×10¹³/cm²），調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)到狄拉克點(diǎn)附近（4.5電子伏到4.8電子伏之間）；

步驟 9：如圖2A中的S6，于剩余的全部的電極層上方、感光納米石墨烯材料層上方以及剩余的全部的基底上方旋涂SU-8型光刻膠層，然后利用光刻技術(shù)于剩余的全部電極層上方、感光納米石墨烯材料層上方以及剩余的全部硅片上方進(jìn)行圖案化過程，形狀結(jié)果如圖3所示。圖形化后的光刻膠固化為固體。在固化的光刻膠上形成周期性排列的圓形或六邊形孔洞，這種具有特定圖案的固化光刻膠即為光子晶體。光子晶體部分的光子晶體的結(jié)構(gòu)為如圖3所示，為周期性排列的六邊形或者圓形孔洞，孔洞的深度為400-700納米左右。相鄰孔洞中心間距為光子晶體周期，光子晶體周期是4微米到10微米之間，優(yōu)選為5微米。圓形孔洞直徑或六邊形外接圓直徑與光子晶體周期之比為0.6到0.8之間。對(duì)制備光子晶體之前和之后的傳感器進(jìn)行光響應(yīng)率測(cè)量，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在特定波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)率增強(qiáng)的目的。

本實(shí)用新型還提供一種基于光子晶體光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的石墨烯紅外傳感器，對(duì)應(yīng)制備具有金屬-石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外傳感器的制備方法，如圖2B所示，包括以下幾個(gè)主要步驟：

步驟1：如圖2B中的S1’，預(yù)清洗具有100到300納米厚的硅片，該硅片為表層具有二氧化硅層的硅片；

步驟 2：如圖2B中的S2’，利用光刻技術(shù)在具有二氧化硅層一層的硅片的表面制備圖形化的3微米左右圖形化的AZ5214E光刻膠層（即于硅片上方表面沉積部分光刻膠層，而非表面完全沉積光刻膠層）；

步驟 3：如圖2B中的S3’，利用濺射方法于光刻膠上方先沉積20納米到30納米厚的金屬鉻作為連接層，然后再沉積100納米到300納米厚的金作為電極層；

步驟 4：如圖2B中的S4’，使用有機(jī)溶劑溶解光刻膠，使光刻膠上方沉積的連接層以及電極層全部去除，在部分硅片上方形成電極層；

步驟 5：如圖2B中的S5’，利用濃度為20毫克每毫升的溶液（溶劑為氯仿）聚酸甲酯轉(zhuǎn)移圖形化后的、方形石墨烯到預(yù)先做好電極層以及部分的硅片上方，通過步驟5完成中間產(chǎn)品上，石墨烯并不完全鋪滿整個(gè)電極層以及硅片的表面，而是鋪設(shè)于部分的硅片上方以及部分的電極層上方，如圖2B所示，兩個(gè)鋪設(shè)的部分是連續(xù)的鋪設(shè)，不形成間斷；

步驟 6：利用有機(jī)溶劑溶解聚酸甲酯，形成感光納米石墨烯材料層；

步驟 7：利用原子力顯微鏡接觸式掃描模式對(duì)制備得到的感光納米石墨烯材料層進(jìn)行表面雜質(zhì)去除處理，表面雜質(zhì)覆蓋率降低95%，如圖5所示，利用進(jìn)而提高電子遷移率至800到1000 cm²/Vs；

步驟 8：利用氯化金溶液向感光納米石墨烯材料層注入電子進(jìn)行摻雜（注入電子濃度為1.23-1.4×10¹³/cm²），調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)到狄拉克點(diǎn)附近（4.5電子伏到4.8電子伏之間）；

步驟 9: 如圖2B中的S6’，于剩余的全部的電極層上方、感光納米石墨烯材料層上方以及剩余的全部的基底上方旋涂SU-8型光刻膠層，然后利用光刻技術(shù)于剩余的全部電極層上方、感光納米石墨烯材料層上方以及剩余的全部硅片上方進(jìn)行圖案化過程，形狀結(jié)果如圖3所示。圖形化后的光刻膠固化為固體。在固化的光刻膠上形成周期性排列的六邊形或者圓形孔洞，這種具有特定圖案的固化光刻膠即為光子晶體。光子晶體部分的光子晶體的結(jié)構(gòu)為如圖3所示，為周期性排列的六邊形或者圓形孔洞，孔洞的深度為400-700納米左右。相鄰孔洞中心間距為光子晶體周期。光子晶體周期是4微米到10微米之間，圓形孔洞直徑或六邊形外接圓直徑與光子晶體周期之比為0.6到0.8之間。

上述制備方法與制備石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的石墨烯紅外感測(cè)器的區(qū)別僅在于省略了制備絕緣層的步驟，這是由于采用具有二氧化硅層的硅片作為基底，其中的二氧化硅層直接作為絕緣層，進(jìn)而可以省略后續(xù)絕緣層的制備方法，直接將電極層制備在基底上方。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本實(shí)用新型而所舉的較佳的實(shí)施例，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。