本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種“三明治”型超快光電探測(cè)金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法。

背景技術(shù)：

隨著海陸空一體化戰(zhàn)略的迅速發(fā)展，“高超”武器的突破性進(jìn)展，使得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度大大加快，大量航空航海裝備對(duì)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤動(dòng)態(tài)性能、快速紅外成像識(shí)別技術(shù)提出了更高的要求。在越來(lái)越激烈的海洋爭(zhēng)端中，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光信號(hào)的探測(cè)與響應(yīng)、快速成像顯示至關(guān)重要，快速響應(yīng)光電探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)艦船預(yù)警跟蹤、軌跡預(yù)測(cè)、近程監(jiān)視、艦船識(shí)別、海岸成像、夜間導(dǎo)航、精確定位的關(guān)鍵。針對(duì)海上復(fù)雜的氣候條件，中波紅外（3-5μm）和長(zhǎng)波紅外（8-12μm）波段的波被大氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收最少，但是，各自波段紅外探測(cè)的性能都有一定的缺陷。8-12μm窗口比3-5μm窗口對(duì)目標(biāo)和背景間的微小溫度差更加敏感，能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距探測(cè)，但是在潮濕條件下其性能下降極其嚴(yán)重。而3-5μm窗口對(duì)潮濕環(huán)境敏感性要低很多，但是在溫度低于20度是性能變差且易受陽(yáng)光閃爍的影響。所以，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外和長(zhǎng)波紅外協(xié)作探測(cè)的快速探測(cè)，以適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的海上作戰(zhàn)環(huán)境。

石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)已經(jīng)被證明具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的光電性能，以及優(yōu)異的光伏特性，可以被應(yīng)用在光電探測(cè)領(lǐng)域。以往的研究中，石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)由于存在較高的暗電流，從而影響了其作為光電探測(cè)器的探測(cè)能力。石墨烯光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是突破超快光電探測(cè)技術(shù)的瓶頸所在，石墨烯薄膜產(chǎn)生的光生載流子壽命太短（1ps），未能解決石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命內(nèi)有效收集的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，急需采用新材料、新理論、新技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)制造新一代的慣性導(dǎo)航器件的高精度部件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前采用石墨烯制作的光電探測(cè)器由于光生載流子較少使得靈敏度受限、傳輸速度較慢等問(wèn)題，本發(fā)明提出了基于表面生長(zhǎng)一層二氧化硅的硅基片的石墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型超快光電探測(cè)金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：“三明治”型超快光電探測(cè)金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟：

第一步：將第一層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到表面生長(zhǎng)一層二氧化硅的硅基片上；

第二步：在第一層石墨烯薄膜上勻一層負(fù)光刻膠；

第三步：采用電子束曝光系統(tǒng)對(duì)第一層石墨烯薄膜上的負(fù)光刻膠進(jìn)行曝光，并進(jìn)行顯影、定影處理，在負(fù)光刻膠層上得到由若干間隔距離為納米量級(jí)的方形凹槽組成的槽陣列；

第四步：利用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)向方形凹槽內(nèi)沉積金屬Ag；

第五步：采用剝離工藝將負(fù)光刻膠去除，則在石墨烯薄膜上得到由若干間隔距離為納米量級(jí)的金屬Ag組成的金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)；

第六步：利用磁控濺射薄膜沉積系統(tǒng)向第一層石墨烯薄膜上沉積電介質(zhì)層TiO，電介質(zhì)層TiO將金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)覆蓋（金屬Ag的頂面裸露）；

第七步：在電介質(zhì)層和第一層石墨烯薄膜上位于電介質(zhì)層兩側(cè)的位置勻一層正光刻膠；

第八步：采用套刻工藝對(duì)正光刻膠曝光，顯影、定影，將第一層石墨烯薄膜上電介質(zhì)層TiO兩側(cè)的正光刻膠去除；

第九步：利用納米團(tuán)生長(zhǎng)工藝在第一層石墨烯薄膜上生長(zhǎng)一層金屬Au作為電極薄膜，該電極薄膜位于電介質(zhì)層TiO的兩側(cè)；

第十步：利用剝離工藝將正光刻膠去除；

第十一步：將第二層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至電介質(zhì)層TiO上，最終得到石墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型金屬超結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明制得的金屬超結(jié)構(gòu)中夾心層的貴金屬超材料結(jié)構(gòu)具有的納米級(jí)間隙使得光生載流子在電極間的傳輸時(shí)間壓縮到亞皮秒量級(jí)，故貴金屬超材料結(jié)構(gòu)的加入能夠使得石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命內(nèi)得到有效的收集，其光響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了超快速的光電探測(cè)。金屬超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高靈敏的原理一方面是貴金屬超材料結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振（SPR）效應(yīng)能夠有效增強(qiáng)石墨烯薄膜的吸光性能，使得石墨烯薄膜產(chǎn)生有效應(yīng)的光生載流子，另一方面，貴金屬超結(jié)構(gòu)的SPR效應(yīng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯薄膜光生載流子的產(chǎn)生。這兩方面導(dǎo)致光生載流子增加的機(jī)理使得該光電探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的探測(cè)性能。

因此，本發(fā)明開(kāi)展表面等離激元共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超快、高靈敏超快光電探測(cè)的研究工作具有非常重要的研究意義和潛在應(yīng)用價(jià)值，將墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光電探測(cè)技術(shù)中具有很好的創(chuàng)新性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明原理示意圖。

圖2為“三明治”型金屬超結(jié)構(gòu)制備工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

“三明治”型超快光電探測(cè)金屬超結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟：

第一步：將第一層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到表面生長(zhǎng)一層二氧化硅的硅基片上；

第二步：在第一層石墨烯薄膜上勻一層負(fù)光刻膠；

第三步：采用電子束曝光系統(tǒng)對(duì)第一層石墨烯薄膜上的負(fù)光刻膠進(jìn)行曝光，并進(jìn)行顯影、定影處理，在負(fù)光刻膠層上得到由若干間隔距離為納米量級(jí)的方形凹槽組成的槽陣列；

第四步：利用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)向方形凹槽內(nèi)沉積金屬Ag；

第五步：采用剝離工藝將負(fù)光刻膠去除，則在石墨烯薄膜上得到由若干間隔距離為納米量級(jí)的金屬Ag組成的金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)；

第六步：利用磁控濺射薄膜沉積系統(tǒng)向第一層石墨烯薄膜上沉積電介質(zhì)層TiO，電介質(zhì)層TiO將金屬Ag陣列結(jié)構(gòu)覆蓋；

第七步：在電介質(zhì)層和第一層石墨烯薄膜上位于電介質(zhì)層兩側(cè)的位置勻一層正光刻膠；

第八步：采用套刻工藝對(duì)正光刻膠曝光，顯影、定影，將第一層石墨烯薄膜上電介質(zhì)層TiO兩側(cè)的正光刻膠去除；

第九步：利用納米團(tuán)生長(zhǎng)工藝在第一層石墨烯薄膜上生長(zhǎng)一層金屬Au作為電極薄膜，該電極薄膜位于電介質(zhì)層TiO的兩側(cè)；

第十步：利用剝離工藝將正光刻膠去除；

第十一步：將第二層石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至電介質(zhì)層TiO上，最終得到石墨烯薄膜-貴金屬超材料結(jié)構(gòu)-石墨烯薄膜的“三明治”型金屬超結(jié)構(gòu)。