[发明专利]一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测方法及装置

权利要求书

1.基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，其特征在于：所述装置包括光源、准直透镜、基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器和单点探测器；所述光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，MEMS光栅光调制器的干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测；

所述基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器包括上层可动反射光栅、金属反射层、硅衬底、三维石墨烯纳米天线和柔性支撑结构，所述金属反射层沉积在硅衬底上，所述三维石墨烯纳米天线制作在金属反射层上，所述上层可动反射光栅由柔性支撑结构支撑于硅衬底上，并覆盖在金属反射层以及三维石墨烯纳米天线上方，与它们之间留有合适的空气间隙，上层可动光栅与金属反射层之间通过微加工工艺制备连接导线，施加外部驱动电压V₁改变金属反射层和上层可动光栅之间间距，从而改变两路反射光的光程差；

所述三维石墨烯纳米天线包括金属电极、三维石墨烯薄膜、三维介质结构、石墨烯薄膜和介质层；所述介质层沉积在金属反射层上，石墨烯薄膜覆盖于介质层上，石墨烯薄膜之上有三维介质结构，三维石墨烯薄膜复合在三维介质结构之上，金属电极将三维石墨烯薄膜和石墨烯薄膜连接起来，在金属电极和金属反射层之间通过微加工工艺制备连接导线，施加外部电压V₂构成电掺杂回路，对石墨烯表面电导率进行调节，将石墨烯表面等离子体耦合谐振频率调谐到与痕量分子的振动频率调相一致，提高分子与光的相互作用，从而增强痕量分子对光的吸收。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，其特征在于：所述的三维纳米结构为纳米孔、纳米柱、纳米台或纳米锥，其水平截面直径为20nm～800nm，高度或深度为30nm～600nm。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，其特征在于：所述三维介质结构和介质层的材料为红外波段透明材料硅、氟化钙、锗、砷化镓等。

4.根据权利要求2所述的基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测装置，其特征在于：所述石墨烯薄膜1～20层。

5.利用权利要求1-4所述的装置进行红外光谱增强及探测的方法，其特征在于：光源发出的红外光经准直透镜照射到基于三维石墨烯纳米天线的MEMS光栅光调制器上，一部分光照射到三维石墨烯纳米天线上，当入射光频率满足波矢匹配条件时，在三维石墨烯薄膜和石墨烯薄膜上激发石墨烯表面等离子体效应，形成很强的局域电磁场，提高被测分子周围单位空间内的电磁场强度，增加其表面附近痕量分子与光的相互作用，通过外部电压V₂的调制，使谐振波长在宽波段范围内变化，当石墨烯表面等离子体的耦合谐振频率和痕量分子的振动频率调为一致，表现为痕量分子对该频率的入射光有很强的吸收，最后经过金属反射层转化为反射光，该反射光带有三维石墨烯纳米天线表面痕量分子的振动吸收信息；另一部分光经过上层可动反射光栅反射，通过外部驱动电压V₁对上层可动反射光栅进行控制，使反射光在上层可动反射光栅和下层金属发射电极层之间形成光程差，使两反射层的反射光发生干涉，干涉信号被单点探测器探测得到，探测信号再经过傅里叶变换解调，进行光谱重现，根据所得光谱信息实现对痕量分子的检测。