[发明专利]一种“三明治”型超快光电探测金属超结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种“三明治”型超快光电探测金属超结构的制作方法。

背景技术

随着海陆空一体化战略的迅速发展，“高超”武器的突破性进展，使得目标运动速度大大加快，大量航空航海装备对跟踪系统的跟踪动态性能、快速红外成像识别技术提出了更高的要求。在越来越激烈的海洋争端中，实现对特定光信号的探测与响应、快速成像显示至关重要，快速响应光电探测器是实现舰船预警跟踪、轨迹预测、近程监视、舰船识别、海岸成像、夜间导航、精确定位的关键。针对海上复杂的气候条件，中波红外（3-5µm）和长波红外（8-12µm）波段的波被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收最少，但是，各自波段红外探测的性能都有一定的缺陷。8-12µm窗口比3-5µm窗口对目标和背景间的微小温度差更加敏感，能实现长距探测，但是在潮湿条件下其性能下降极其严重。而3-5µm窗口对潮湿环境敏感性要低很多，但是在温度低于20度是性能变差且易受阳光闪烁的影响。所以，必须实现对中波红外和长波红外协作探测的快速探测，以适应瞬息万变的海上作战环境。

石墨烯-硅异质结已经被证明具有独特的结构与优异的光电性能，以及优异的光伏特性，可以被应用在光电探测领域。以往的研究中，石墨烯-硅异质结由于存在较高的暗电流，从而影响了其作为光电探测器的探测能力。石墨烯光电转换结构是突破超快光电探测技术的瓶颈所在，石墨烯薄膜产生的光生载流子寿命太短（1ps），未能解决石墨烯产生的光生载流子在其寿命内有效收集的关键问题。因此，急需采用新材料、新理论、新技术来开发制造新一代的惯性导航器件的高精度部件。

发明内容

针对目前采用石墨烯制作的光电探测器由于光生载流子较少使得灵敏度受限、传输速度较慢等问题，本发明提出了基于表面生长一层二氧化硅的硅基片的石墨烯薄膜-贵金属超材料结构-石墨烯薄膜的一种“三明治”型超快光电探测金属超结构的制作方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种“三明治”型超快光电探测金属超结构的制作方法，包括以下步骤：

第一步：将第一层石墨烯薄膜转移到表面生长一层二氧化硅的硅基片上；

第二步：在第一层石墨烯薄膜上匀一层负光刻胶；

第三步：采用电子束曝光系统对第一层石墨烯薄膜上的负光刻胶进行曝光，并进行显影、定影处理，在负光刻胶层上得到由若干间隔距离为纳米量级的方形凹槽组成的槽阵列；

第四步：利用电子束热蒸发技术向方形凹槽内沉积金属Ag；

第五步：采用剥离工艺将负光刻胶去除，则在石墨烯薄膜上得到由若干间隔距离为纳米量级的金属Ag组成的金属Ag阵列结构；

第六步：利用磁控溅射薄膜沉积系统向第一层石墨烯薄膜上沉积电介质层TiO₂，电介质层TiO₂将金属Ag阵列结构覆盖（金属Ag的顶面裸露）；

第七步：在电介质层和第一层石墨烯薄膜上位于电介质层两侧的位置匀一层正光刻胶；

第八步：采用套刻工艺对正光刻胶曝光、显影、定影，将第一层石墨烯薄膜上电介质层TiO₂两侧的正光刻胶去除；

第九步：利用纳米团生长工艺在第一层石墨烯薄膜上生长一层金属Au作为电极薄膜，该电极薄膜位于电介质层TiO₂的两侧；

第十步：利用剥离工艺将正光刻胶去除；

第十一步：将第二层石墨烯薄膜转移至电介质层TiO₂上，最终得到石墨烯薄膜-贵金属超材料结构-石墨烯薄膜的“三明治”型金属超结构。

本发明制得的金属超结构中夹心层的贵金属超材料结构具有的纳米级间隙使得光生载流子在电极间的传输时间压缩到亚皮秒量级，故贵金属超材料结构的加入能够使得石墨烯产生的光生载流子在其寿命内得到有效的收集，其光响应时间达到纳秒量级，从而实现了超快速的光电探测。金属超结构实现高灵敏的原理一方面是贵金属超材料结构的表面等离激元共振（SPR）效应能够有效增强石墨烯薄膜的吸光性能，使得石墨烯薄膜产生有效应的光生载流子，另一方面，贵金属超结构的SPR效应能够进一步增强石墨烯薄膜光生载流子的产生。这两方面导致光生载流子增加的机理使得该光电探测器能够实现高灵敏的探测性能。

因此，本发明开展表面等离激元共振效应实现超快、高灵敏超快光电探测的研究工作具有非常重要的研究意义和潜在应用价值，将墨烯薄膜-贵金属超材料结构-石墨烯薄膜的“三明治”型结构应用于光电探测技术中具有很好的创新性。

附图说明

图1为本发明原理示意图。