基于石墨烯光电流响应的光谱仪、测量方法及其制备方法技术

本发明专利技术属于计算重构光谱技术领域，具体涉及一种基于石墨烯光电流响应的光谱仪、测量方法及其制备方法。本发明专利技术利用场效应对石墨烯进行电学掺杂，即通过调节栅极电压，以调节单层石墨烯的化学势μ，使得入射光中能量小于2|μ|的光子无法通过带间跃迁被石墨烯吸收而形成光电流，并影响石墨烯光电流响应的强度，从而重构入射光光谱，实现高精度光谱探测。本发明专利技术方法可以突破传统光谱仪毫米量级尺寸极限，在微米量级的石墨烯中实现光谱探测，为高性能光谱仪的微型化提供了一种完全不同的技术路线。谱仪的微型化提供了一种完全不同的技术路线。谱仪的微型化提供了一种完全不同的技术路线。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯光电流响应的光谱仪、测量方法及其制备方法


[0001]本专利技术涉及计算重构光谱
，尤其是涉及一种基于石墨烯光电流响应的超微型光谱仪、其制备方法及测量方法。

技术介绍

[0002]在石油化工、医药卫生、军事侦察以及宇宙探索等领域，光谱仪已经成为必不可少的仪器。利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理，具有分析精度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优点。传统的光栅光谱仪以光栅或色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。然而为了实现高准确度和分辨率，传统光谱仪采用复杂的光电探测器阵列，滤波器阵列，以及其他复杂的分光、色散结构和元件。其复杂的光路设计和分散的光学元件使得光谱仪微型化面临极大的挑战，无法满足各种日新月异的便携设备和大规模片上光子集成系统的需求。
[0003]目前，常见的微型光谱仪利用先进微纳米加工技术以更小型的色散光学元件，例如光子晶体、超表面以及微型干涉仪等各种方法来取代庞大的色散光学元件的功能。传统的光谱仪微型化技术通过牺牲部分性能，使得光谱仪的尺寸达到毫米量级。然而，光谱仪的进一步小型化到微米量级尺寸则是一个极大的挑战。但是，最近的研究指出，计算重构光谱技术被成功应用于光谱仪的微型化，通过预校准，并根据测量数据特征，可实现基于计算重构算法的未知光谱重构。重构光谱的准确度和分辨率取决于器件光谱响应对栅极电压变化的灵敏度。由于单一材料的能带结构固定，其光谱响应变化有限，且可调节范围受材料带宽限制，这成为此类光谱仪性能受限的主要原因。
[0004]目前已经提出并实现的微型光谱仪依旧需要一个光电探测器阵列来实现其展示的分辨率，限制当前系统的进一步小型化，而单探测器光谱仪由于光谱响应的可调性不足，其性能受到限制。仍然缺少一种行之有效的光谱仪微型化技术方案。
[0005]中国专利CN113625475A公开了了一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法，该方案根据n条石墨烯分别在不同电调谐环境下的光生电流值，求解n条石墨烯吸收层不同情况下的多组光生电流方程，最终利用基准函数进行光生电流运算获得目标光谱。但其利用元件包括光栅耦合器、光波导及多条石墨烯，还有进一步微型化的空间，并且该方案的光谱测量范围和分辨率依赖于石墨烯的个数n，光谱仪的光谱测量范围和分辨率无法灵活调整。

技术实现思路

[0006]为了克服现有光谱仪微型化技术的困难，突破传统光谱仪尺寸极限，本专利技术的目的在于提供一种切实可行的、基于单层石墨烯光电流响应的光谱仪微型化技术。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]作为本专利技术的第一方面，提供一种基于石墨烯光电流响应的光谱仪，用于测量未
知入射光的光谱，所述光谱仪包括：
[0008]石墨烯器件，包括单层石墨烯，衬底材料，源极，漏极以及背栅极；所述单层石墨烯设置于衬底材料一侧用于接收未知入射光并激发光电流；所述源极和漏极通过蒸发镀金设置在单层石墨烯和衬底材料上；所述背栅极设置在衬底材料的另一侧，背栅极材料包括但不限于硅、金等；
[0009]电学调控及测量装置，用于施加栅极电压并同时测量石墨烯的栅极电压依赖光电流响应强度，基于光电流响应强度变化，重构出入射光光谱。
[0010]作为本专利技术的第二方面，提供一种基于石墨烯光电流响应的光谱测量方法，所述方法采用如上所述的基于石墨烯光电流响应的光谱仪进行测量，包括以下步骤：
[0011]利用场效应对单层石墨烯进行电学掺杂，通过调节栅极电压调节单层石墨烯的化学势；
[0012]通过调节单层石墨烯的化学势接近石墨烯电中性点前后，使其石墨烯出现光吸收和光禁戒效应；
[0013]通过调节单层石墨烯的化学势，影响石墨烯光电流响应的强度，根据相应化学势下无法激发电子通过带间跃迁的光波段与石墨烯光电流响应强度的减小比例，计算出被禁戒波段的光占总入射光的相对强度。
[0014]进一步的，所述光谱测量方法通过改变石墨烯化学势调节的范围和步长调整光谱的测量范围和分辨率。
[0015]作为本专利技术的第三方面，提供一种如上所述的基于石墨烯光电流响应的光谱仪的制备方法，包括以下步骤：
[0016]在衬底材料上制备获得单层石墨烯，制备手段包括但不限于机械剥离、化学气相沉积、二维材料转移等，衬底材料包括但不限于氧化硅、氮化硼等；
[0017]为单层石墨烯蒸镀金电极，并利用金属线为电极引线；
[0018]将石墨烯器件与电学调控及测量装置接线，所述电学调控及测量装置用于提供石墨烯器件所需的栅极电压并实时检测石墨烯器件的源漏极电流；
[0019]在源漏极之间施加电压，调节栅极电压，根据所测得的源漏极电流，绘制出电阻与栅极电压的关系图，确定石墨烯化学势位于石墨烯电中性点处的栅极电压，即电阻值最大处的栅极电压；
[0020]通过调节栅极电压，调节单层石墨烯的化学势接近石墨烯电中性点前后，使石墨烯出现光吸收和光禁戒效应，并测量未知入射光的单层石墨烯光电流响应强度变化；
[0021]根据相应化学势下无法激发电子通过带间跃迁的光波段和石墨烯光电流响应强度的依赖关系重构出未知入射光的相对强度光谱，通过调制未知入射光或栅极电压，结合锁相技术，可进一步提高光谱测量信噪比；
[0022]利用标准光谱测试设备测量该未知入射光的标准光谱；根据重构光谱和标准光谱的对比，得出重构光谱相对强度与强度之间的转换比，进而实现对未知入射光光谱的独立精确测量。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]1)本专利技术提供的基于单层石墨烯光电流响应的超微型光谱仪，仅利用一条石墨烯，通过调节栅极电压改变石墨烯化学势时，根据石墨烯吸收入射光波段和光电流响应强
度变化的依赖关系，计算重构出目标光谱。相较于现有技术，省去了光栅耦合器、光波导及多条石墨烯，实现了微米量级尺寸的光谱仪微型化技术。
[0025]2)本专利技术提供的超微型光谱仪，可以在不牺牲性能的条件下实现其微型化，通过改变石墨烯化学势的调节范围与步长，调节光谱测量范围以及重构光谱对入射光不同波段的分辨率，能够更灵活地调节光谱仪的测量范围和分辨率。
[0026]3)本专利技术提供的栅极电压依赖光电流响应重构未知入射光光谱，采用标准光谱测试设备测得的标准光谱作对比，证明基于石墨烯光电流的微型光谱仪的准确性，并且为重构光谱定标，可以将重构光谱不同波段的相对强度量化为不同波段的强度光谱。
附图说明
[0027]图1为本专利技术中单层石墨烯电学调控器件及其栅极电压依赖光电流响应强度测量的结构示意图。
[0028]图2为本专利技术中通过调节栅极电压去调节单层石墨烯的化学势，使其出现光吸收的示意图；
[0029]图3为本专利技术中通过调节栅极电压去调节单层石墨烯的化学势，使其出现光禁戒效应的示意图；
[0030]图4为本专利技术中根据单层石墨烯栅极电压依赖光电流响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯光电流响应的光谱仪，用于测量未知入射光的光谱，其特征在于，包括石墨烯器件与电学调控及测量装置，所述石墨烯器件采用单层石墨烯，所述电学调控及测量装置用于调节单层石墨烯的化学势，并基于单层石墨烯的光电流响应强度变化，重构出入射光光谱。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯光电流响应的光谱仪，其特征在于，所述石墨烯器件包括单层石墨烯(1)，衬底材料(2)，源极(3)，漏极(4)以及背栅极(5)；所述单层石墨烯(1)设置于衬底材料(2)一侧用于接收未知入射光并激发光电流；所述源极(3)和漏极(4)设置在单层石墨烯(1)和衬底材料(2)上；所述背栅极(5)设置在衬底材料(2)与单层石墨烯(1)相对的一侧。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯光电流响应的光谱仪，其特征在于，所述电学调控及测量装置用于施加栅极电压并同时测量石墨烯光电流响应强度随栅极电压的变化，再基于光电流响应强度变化，重构入射光光谱。4.一种基于石墨烯光电流响应的光谱测量方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的基于石墨烯光电流响应的光谱仪进行测量，包括以下步骤：利用场效应对单层石墨烯进行电学掺杂，通过调节栅极电压调节单层石墨烯的化学势；通过调节单层石墨烯的化学势，改变石墨烯的吸收光谱；通过调节单层石墨烯的化学势，影响石墨烯光电流响应的强度，根据相应化学势下无法激发电子通过带间跃迁的光波段与石墨烯光电流响应强度的减小比例，计算出被禁戒波段的光占总入射光的相对强度。5.根据权利要求4所述的基于石墨烯光电流响应的光谱测量方法，其特征在于，所述光谱测量方法通过改变石墨烯化学势调节的范围和步长调整光谱的测量范围和分辨率。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫彬，俞可，江涛，黄迪，周雷，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：