[发明专利]一种石墨烯等离激元气体传感器及其制作方法

说明书

本发明涉及气体检测技术领域，公开了一种石墨烯等离激元气体传感器，包括包括基底、石墨烯层和贵金属颗粒层，基底、石墨烯层和贵金属颗粒层由下至上依次设置，贵金属颗粒层包括多个贵金属颗粒，贵金属颗粒位于石墨烯层的上方，贵金属颗粒可发生表面增强拉曼(SERS)效应，增强石墨烯等离激元与气体分子的相互作用，提高石墨烯层对气体的拉曼响应，从而获得等离激元增强的拉曼光谱，且贵金属颗粒还可提高石墨烯层对气体的电学响应，大大提高了传感器的灵敏度。另外，本发明的石墨烯层具有周期性纳米结构，石墨烯层和贵金属颗粒层之间设有TiO₂介质层，基底包括硅衬底和设置硅衬底上的SiO₂层。本发明还提供一种上述石墨烯等离激元气体传感器的制作方法。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种石墨烯等离激元气体传感器及其制作方法。

背景技术

气体分子的无标记识别在半导体高端芯片制造过程监测、爆炸物检测和医疗诊断等领域有着重要应用。目前的器件和设备对气体的检测与气体分子的成分和结构没有直接关联，因此难以准确识别气体分子的种类和浓度。由于拉曼光谱能够反映入射光与待测分子的振动或转动之间的相互作用，因此被认为具有物质指纹识别能力。虽然拉曼散射信号本身非常弱，但借助表面增强拉曼散射技术(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)可以实现单分子级别的检测灵敏度，因此被应用于特定物质的痕量和手性分析，如蛋白质分子手性及微量农药检测等。SERS增强机制主要有“化学增强机制”和“电磁场增强机制”，而后者被普遍认为对SERS增强效果贡献最大，其电场增强因子量级上可以达到10¹²以上，比化学表面增强效应高近10个量级。

现有技术存在基于石墨烯等离子激元效应的气体传感器。石墨烯表面等离激元包含TM和TE两种表面波。因此，石墨烯表面等离激元具有很多优势。首先，沿石墨烯表面的TM波波数实部远大于自由空间波数，因此表面离子体波紧密局限在石墨烯层上，具有极强的局域场强增强；其次，导波波长比自由空间波长小得多，而波数的虚部却很小，因此传输损耗小。另外，可以通过化学掺杂或改变栅极电压的方法实时动态地调整石墨烯的费米能级位置及载流子浓度，还可以借助石墨烯层数变化对其电导率进行调控。由于石墨烯等离子体具有上述超高模式限制的能力，可以增强其相关的倏逝场和相邻气体分子之间的相互作用，这种效应减少了检测时对大量气体分子的需求。因此，原则上靠近石墨烯纳米带的一层薄气体就足以进行检测。基于石墨烯等离激元的气体传感器在气体的无标记识别领域具有巨大应用潜力。但是，基于石墨烯等离子激元效应将固体样品传感扩展到气体传感，存在一个重要的技术挑战，即由于密度不同，在常压下气体的介电响应比固体分子层的响应要弱4个数量级。此外，倏逝等离子体场(约几十纳米)和分散的气体分子之间的巨大空间不匹配，将检测区域限制在石墨烯层的周围，即与液态成分的拉曼检测相比，气体弥散体积大，导致拉曼检测响应低，从而限制了石墨烯等离激元在气体传感方面的应用。

中国发明专利申请CN108593585A(公开日为2018年09月28日)公开了一种石墨烯等离激元气体传感器，所述传感器自下而上依次包括基底、电介质层、石墨烯层、微腔和盖板，其中在所述盖板分别设置与微腔连通的进样通道和出样通道，本发明石墨烯层上方是气体微腔，石墨烯等离激元可与气体分子相互作用，从而获得等离激元增强的气体红外光谱，实现气体种类的指认，同时本发明可以探测极微量的气体分子，其等离激元波长在中红外波段(共振频率400-3000波数)，所述传感器可重复使用、可集成。该专利仅采用石墨烯层作为气体的敏感区域，但是石墨烯层对气体的电学响应和拉曼响应均较低，导致传感器的灵敏度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种可增强气体检测拉曼信号，提高灵敏度的石墨烯等离激元气体传感器及其制作方法。