[发明专利]用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层、石墨烯薄膜；所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层和石墨烯薄膜一起构成微流通道；所述溶液以及气体从所述微流通道的一端进入，从另一端出来。相对于其他石墨烯等离激元增强红外器件结构，本发明可实现探测溶液中化学或生物分子(如蛋白质)的红外信号，更接近实际生理情况；另外，还解决了气体探测中，红外仪器探测不到微量气体的问题。本发明有效地提高了探测的准确性，同时也拓宽了石墨烯等离激元的应用领域。

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，特别涉及一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法。

背景技术

红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。

红外光谱技术是一种直接探测分子振动模式实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率高，光谱图库齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。

表面增强红外吸收光谱技术(Surface-Enhanced Infrared Absorption)能够显著增强被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测微量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具。然而，红外光谱受到水的影响比较大，现有表面增强红外吸收光谱技术增强溶液中的生物或化学分子的红外信号受到限制。另外，在气体探测中，由于红外仪器灵敏度和检测限的限制，存在红外仪器探测不到微量气体的问题。

因此，需要一种能够有效增强溶液中生物或化学分子以及气体分子的红外吸收信号的石墨烯等离激元器件及其制备方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于增强红外吸收信号的石墨烯等离激元器件，该器件适用于生物、化学溶液以及气体，包括自下而上依次设置的衬底、光栅层以及石墨烯薄膜；所述光栅层位于所述衬底上，所述石墨烯薄膜覆盖于所述光栅层上；所述衬底、所述光栅层和石墨烯薄膜一起构成微流通道；生物、化学溶液以及气体从所述微流通道的一端进入，从另外一端出来。

优选地，所述光栅层具有由若干相互平行且互不接触的条带构成的周期性光栅结构，所述周期性光栅结构是由在靠近石墨烯薄膜一侧的衬底上刻蚀得出的，其中刻蚀出的条带与高于条带的衬底构成周期性交替结构，所述周期性交替结构的纵切面为台阶状结构。

更优选地，所述周期性光栅结构还可利用电子束曝光和干法刻蚀制备得到；

所述周期性光栅结构包括若干个光栅周期，一个光栅周期由条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度构成；优选地，所述一个光栅周期为20nm～1μm，根据待检测物质的红外吸收峰和实际加工极限进行选择得出，在光栅周期在20nm～1μm的器件，能检测并增强常见物质的红外吸收峰，实际能加工出最小的光栅周期是在20nm左右；

优选地，所述条带宽度为10nm～500nm，所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比为1：1，其中，所述条带的横切面为长方形。其中，所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比为1:1能获得较好的等离激元强度，即能获得较好的增强效果，并且加工和计算起来更加方便。其中所述条带的宽度和与条带相邻并高出条带的衬底的宽度之比只要不偏离1:1太大均可行。

更优选地，所述一个光栅周期为150nm，所述条带宽度为75nm；所述特定的光栅周期为150nm，条带宽度为75nm，正好能增强生物分子中蛋白质的红外吸收峰。