CN118032698A - 基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪及其测量与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱测量技术领域，特别是一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪及其测量与制备方法，旨在原位实现高效、快速、精确的宽带光谱测量。该光谱仪充分利用石墨烯的宽带吸收特性和快速响应能力，采用了一体化石墨烯光电探测***，通过优化待测样品与石墨烯光电探测器布局，实现了***结构的简化。该***通过在石墨烯探测器上方放置待测样品，宽谱光透射待测样品后在石墨烯探测器中激发光电流，能够高效、快速、精确地提取光谱数据。本发明的优势在于其***结构的简化和样品‑探测器距离的优化，显著提升了信噪比并实现了高效、快速、精确的原位光谱探测，代表了傅里叶变换光谱仪技术领域的一项重大进步。

Description

基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪及其测量与制备 方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，及其测量方法与制备方法。

背景技术

红外光谱分析被广泛应用于化学、生物学和材料科学等领域，是光谱测量中的一项关键技术。该技术能够提供关于样品的结构、成分等重要信息，具有制样简单、灵敏度高和非破坏性检测等显著优点。在红外光谱分析中，晶格、分子、官能团等的内部振动(包括拉伸、弯曲和扭转等模式)会在红外波段选择性地吸收特定能量的光子，从而形成独特的红外光谱。通过测量和分析这些光谱的吸收带和峰值，可以识别出样品中的化学键、官能团和分子环境，实现对样品结构和成分的定性及定量分析。因此，红外光谱常被视为样品的“指纹”，在样品分析中起着不可替代的作用。

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)是执行此类分析的关键设备，但在其应用中存在一些局限性。其一，复杂的光路设计导致光损耗和信噪比下降，影响测量准确性；其二，傅里叶变换光谱仪中使用的光电探测器对环境较为敏感，易受温度和湿度等环境因素影响，进而降低测量精度和稳定性；其三，傅里叶变换光谱仪的探测器通常面临着响应速度慢、转换效率低、光谱响应范围窄等问题。上述困难限制了傅里叶变换红外光谱仪在低信号强度高精度红外光谱测量领域的应用。

中国专利CN116148203A公开了一种傅里叶变换光致发光光谱仪，该傅里叶变换光致发光光谱仪采用激光来激发待测样品产生光致发光光谱，然后通过迈克尔逊干涉仪进行光谱分光和干涉，最终将干涉光束传输至探测器进行信号探测。其核心原理仍属于传统傅里叶变换光谱仪的激发、干涉、收集和探测模式。该模式中，信号光传输距离过长易受环境干扰影响，从而降低了信噪比；同时，信号光激发、收集和探测分离导致设备结构复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有傅里叶变换光谱仪测量技术面临的外界干扰多、响应速度慢、转换效率低、光谱响应范围窄等困难，本发明的目标是提供一种切实可行的、基于石墨烯光电流谱和傅里叶变换原理的新型原位宽波段光谱测量技术。为实现这一目标，本发明采用以下技术方案：

作为本发明的第一方面，提供一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，用于测量未知待测材料的光谱，所述光谱仪包括：石墨烯光电探测***、测量***以及数据处理***，所述的待测材料设置于石墨烯光电探测***上，所述测量***包括光源、测试光路与信号提取装置，其中：

所述石墨烯光电探测***包括石墨烯光电探测器件；

所述测试光路，用于对来自光源的入射光进行调制形成不断改变的干涉光，并由干涉光激发石墨烯光电探测器件产生光电流；

所述信号提取装置，用于采集石墨烯光电探测器件中产生的光电流干涉图谱；

所述数据处理***，基于所得光电流干涉图谱计算待测材料的光谱信息。

作为本发明的第二方面，提供一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的光谱测量方法，所述方法采用如上所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪进行光谱测量，具体步骤包括：

利用光学调制器对来自光源的入射光进行调制，通过迈克尔逊干涉仪动镜调整光束之间的光程差形成干涉光；

将经过调制的干涉光照射在石墨烯光电探测器件上，采集石墨烯光电探测器件对宽带光源的参考光电流干涉图谱；

将待测材料放置在石墨烯光电探测器件上，记录经过调制的干涉光透射待测材料后石墨烯光电探测器件产生的测试光电流干涉图谱；

对参考光电流干涉图谱与参考光电流干涉图谱进行傅里叶变换，获得石墨烯光电探测器件的参考光电流谱与放置待测材料后的测试光电流谱；

结合放置待测材料前后的参考光电流谱与测试光电流谱，得到待测材料的透射谱和吸收谱。

作为本发明的第三方面，提供一种如上所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的制备方法，包括以下步骤：

在衬底材料上制备石墨烯；

为石墨烯制备引出电极并设置电极引线，所述电极包括源极和漏极；使用电介质隔离层对石墨烯、源极以及漏极进行封装；

搭建包括位移台、分光镜、动镜和定镜的迈克尔逊干涉仪，所述动镜搭载于位移台上；

将宽带光源、光学调制器、迈克尔逊干涉仪、石墨烯光电探测器件与锁相放大器依次连接，通过位移台调节动镜位置改变光束之间的光程差生成干涉光。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)超薄样品原位检测：本发明提供的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪利用石墨烯的光电流谱，优化待测样品与石墨烯光电探测器布局，实现了***结构的简化，无需在空间中传播信号光，通过将待测材料放置在石墨烯附近即可测得样品吸收谱。相较于现有技术，这实现了超薄样品吸收谱的原位检测，极大地减少了环境因素的影响，从而显著提高了光谱测量的信噪比。

2)宽波段光谱测量：本发明采用的石墨烯具有宽带光谱高速均匀响应的特性，使得仪器可以在宽波段范围内测量任意未知光谱，而无需更换光电探测器，从而提高了测量的便捷性和效率。

3)简化***结构：迈克尔逊干涉仪部分采用高精度纳米级压电位移台控制动镜的位置，可实现动镜的精确位移，取消了传统傅里叶变换光谱仪中所需的参考光束，简化了设备的设计结构，提高了设备可靠性。

4)高信噪比数据采集：本发明使用光学调制器、前置放大器和锁相放大器联合的数据采集模式，光学调制器调制入射光的同时，前置放大器和锁相放大器解调出真实的光电流信号，多管齐下提高***信噪比。

附图说明

图1为本发明一种以石墨烯器件为核心的傅里叶变换光谱仪***示意图；

图2为本发明其中一实施例中测得的红外光谱图；a)为石墨烯光电流谱图，b)为傅里叶变换后的红外光谱；

图3为本发明一体化石墨烯光电探测***的工作原理图；

图中标号所示：1、石墨烯，2、衬底材料，3、源极，4、漏极，5、待测材料，6、纳米级压电位移台，7、电介质隔离层

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

为了解决现有傅里叶变换光谱仪存在的问题，本发明提出了一种基于石墨烯光电流谱和傅里叶变换原理的新型原位宽波段光谱测量光谱仪及其测量方法与制备方法。

石墨烯光电流谱技术的特性可以有效解决傅里叶变换光谱仪面临的技术难题。其一，石墨烯具有跨越可见光到远红外波段的均匀宽光谱响应特性，具有光谱响应范围宽的优点；其二，石墨烯载流子具有高迁移率特性，相较传统探测器具有更高速的光电流响应，具有响应速度快、转换效率高等优点；其三，石墨烯的二维结构导致石墨烯相较传统体材料更容易与各种待测材料耦合开展光谱测量。上述特性使得基于石墨烯的光电流谱技术在傅里叶变换光谱仪中具有重大应用潜力，通过将石墨烯作为光电流探测材料，可以大幅提高光信号获取的效率、速度和信噪比，提高测量的准确性和稳定性。但是，现有的石墨烯光电器件在低信号强度红外光谱测量方面的灵敏度表现不佳、***信噪比还有待进一步提升，并且仪器结构复杂探测器寿命较短。本发明提出了一种基于石墨烯光电器件的傅里叶变换光谱仪，利用石墨烯在宽带光激发与偏压作用下产生光电流的效应，实现对从可见光到远红外光的宽带、高效、高速探测。同时，通过采用迈克尔逊干涉仪对光进行调制，随着两束光的光程差变化形成不断改变的干涉光，进而形成光电流干涉图谱。进一步地，将待测材料放置在封装后的石墨烯器件上，改变入射到石墨烯光电器件的光谱分布，影响石墨烯光电器件中的光电流干涉图谱。通过对比参考光电流谱与测试光电流谱，即可得到待测材料的吸收谱。因此，本发明实现了对待测材料吸收谱的原位、高精度、高信噪比、宽带探测。

本发明的方法基于以下物理原理：石墨烯对从可见光到远红外等波段的光均具有响应能力，且其吸收率在各个波段大致相同，使其成为全光谱探测器。当石墨烯吸收光子时，其价带中的电子会跃迁到导带，而在源极3、漏极4以及内建电场的作用下形成回路并产生光电流。在放置待测材料5后，待测材料5的影响使得石墨烯1对不同波段的光吸收发生变化，进而导致光电流强度的改变，如图3所示。通过使用迈克尔逊干涉仪对光进行调制，激发石墨烯1的光电流，这种变化可以在光电流谱上得以反映，进而获得不同波段吸收率的变化情况，从而实现对待测材料5吸收谱的原位测量。

作为本发明的第一方面，在本实施例中，提供了一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的组成结构，包括以下方面：

具体地，如图1所示，包括一体化石墨烯光电探测***、光源、光学调制器以及迈克尔逊干涉仪及测量电路，如图1所示。一体化石墨烯光电探测***包括石墨烯1，衬底材料2，源极3，漏极4，电介质隔离层7以及待测材料5。所述石墨烯1设置于衬底材料2一侧，电介质隔离层7用来封装石墨烯1，源极3和漏极4以保护器件，实现石墨烯光电探测器件重复使用，经光学调制器与迈克尔逊干涉仪调制的干涉光激发石墨烯1与待测材料5耦合结构的光电流。所述的光学调制器以及迈克尔逊干涉仪用于调制干涉光并改变两束光的光程差，所述的测量电路基于光学调制器的调制通过联合使用跨阻放大器与锁相放大器来实现石墨烯光电流的精确读取。图1详细展示了该傅里叶变换光谱仪的构成及各部分组件之间的相互作用。

在上述一体化石墨烯光电探测***中，源极3和漏极4使用的电极材料包括但不限于金等。其中衬底材料2包括但不限于氧化硅、氮化硼等，石墨烯1样品包括但不限于单层石墨烯等各种构型的石墨烯。电介质隔离层7位于石墨烯1，源极3和漏极4上，待测材料5放置在电介质隔离层上。

本发明方案将待测材料直接耦合到石墨烯器件上，使用石墨烯器件作为探测器。激发光经过迈克尔逊干涉仪进行光谱分光和干涉后，直接作用于待测材料和石墨烯器件耦合结构，实现了激发、收集和探测的一体化以及待测材料光谱的原位探测。这种设计不仅简化了设备结构，还减少了信号光在空间传播的距离，有效地减小了环境干扰，从而提高了信噪比，大大提高了仪器的性能和可靠性。

基于光电流干涉图谱，本发明还提供自主开发的数据处理***，对采集得到的光电流干涉图谱进行傅里叶变换得到光电流谱；通过对比放置待测材料5前后的石墨烯光电探测***的光电流谱，分析两者的变化量进而计算出待测材料5的吸收谱。进一步地，利用数据处理***对石墨烯光电器件定标校准后，之后可实现对任意未知光谱的精确测量。

作为本发明的第二方面，在本实施例中，还提供了一种应用如上所述基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪进行测量的方法，包括以下步骤：

利用光学调制器对来自光源的入射光进行调制，通过迈克尔逊干涉仪动镜调整两束光之间的光程差形成干涉光。

经过调制的干涉光照射在石墨烯1上。当石墨烯1吸收光子时，其中的电子会从价带跃迁至导带，产生光电流。动镜位置的改变会导致宽带干涉光光谱变化，进而改变石墨烯1光电流强度，形成光电流干涉图谱，如图2所示。通过对光电流干涉图谱进行傅里叶变换，可获得石墨烯的光电流谱。

入射光经过光学调制器调制后，只有与光学调制器频率相匹配的光电流信号被认定为真实信号。这些信号通过跨阻放大器与锁相放大器进行放大、解调和采集，以排除环境因素和电路噪音的影响。

将待测材料5放置在一体化石墨烯光电探测***上，入射光透过待测材料时会发生吸收，如图3.a所示，从而改变石墨烯1产生的光电流。通过测量放置待测材料5后的光电流干涉图，如图3.b所示，并进行傅里叶变换，可以获得光电流谱，如图3.c所示。结合石墨烯1的光电流谱与放置待测材料5后的光电流谱，可计算出待测材料5的透射谱和吸收谱，如图3.d-e所示。

进一步地，通过对石墨烯光电器件定标校准后，本发明可实现对任意未知光谱的精确测量：

首次使用时，以光学调制器调制干涉光直接激发未放置待测样品的一体化石墨烯光电探测***，并采集光电流干涉图谱作为定标基准。通过对该干涉图谱进行傅里叶变换并与入射光光谱对照，得到一体化石墨烯光电探测***的参考光电流谱。

后续正常使用中，待测样品按要求制样后使用样品转移技术转移至电介质隔离层上方，调制干涉光透射待测样品后，激发一体化石墨烯光电探测***的光电流，并采集测试光电流干涉图谱。同样，对这些干涉图谱进行傅里叶变换，得到放置待测样品后的光电流谱。测试完毕后，使用样品转移技术将待测样品移走，并清洁电介质隔离层表面，以备后续使用。

此方法中，光谱的分辨率由迈克尔逊干涉仪中动镜的运动范围决定。动镜运动范围越大，通过光电流谱获得的吸收谱分辨率越高。光谱的测量范围受信号采集步长影响。

作为本发明的第三方面，本实施例中还提供了一种上述基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的制备技术，包括以下步骤：

制备石墨烯：在衬底材料2上制备石墨烯1样品，制备方法可以包括机械剥离、化学气相沉积、二维材料转移等。衬底材料2可以选择氧化硅、氮化硼等材料。石墨烯光电器件制备：源极3和漏极4使用包括但不限于蒸镀等技术将电极制备到石墨烯1样品和衬底材料2上；在石墨烯1的两侧制备引出电极，并使用金属线为电极引线进行引出，电极可以选择金等导电材料，并利用金属细线作为电极引线；制备完成后使用电介质隔离层7对器件进行封装，电介质隔离层7的制备手段包括但不限于热蒸镀电介质如三氧化二铝和转移层状电介质如六方氮化硼。

搭建迈克尔逊干涉仪：包括高精度纳米级压电位移台6、宽带分光镜、动镜和定镜。迈克尔逊干涉仪的功能是将入射光通过分光镜分成两束，然后经过动镜和定镜的反射再次汇聚，产生干涉光。高精度纳米级压电位移台6用于调节动镜的位置，从而改变两束光的光程差。

连接一体化石墨烯光电探测***与测量装置：根据图1中的连线方式，将一体化石墨烯光电探测***与迈克尔逊干涉仪及测量电路连接。迈克尔逊干涉仪用于提供干涉光，并通过改变光程差来激发石墨烯器件的光电流。

使用光学调制器和锁相放大器：采用光学调制器用于调制入射光，而测量电路通过跨阻放大器和锁相放大器，基于光学调制器输出的参考信号，实时提取石墨烯器件的源漏极电流。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，用于测量未知待测材料(5)的光谱，其特征在于，所述光谱仪包括：石墨烯光电探测***、测量***以及数据处理***，所述的待测材料(5)设置于石墨烯光电探测***上，所述测量***包括光源、测试光路与信号提取装置，其中：

所述石墨烯光电探测***包括石墨烯光电探测器件；

所述测试光路，用于对来自光源的入射光进行调制形成不断改变的干涉光，并由干涉光激发石墨烯光电探测器件产生光电流；

所述信号提取装置，用于采集石墨烯光电探测器件中产生的光电流干涉图谱；

所述数据处理***，基于所得光电流干涉图谱计算待测材料(5)的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述石墨烯光电探测器件包括石墨烯(1)、衬底材料(2)、源极(3)，漏极(4)；

所述石墨烯(1)设置于衬底材料(2)一侧，用于接收测试光路产生的干涉光并诱发光电流；

所述源极(3)和漏极(4)设置于石墨烯(1)和衬底材料(2)上，用于施加偏压并提取光电流。

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述石墨烯光电探测器件还包括电介质隔离层(7)，所述电介质隔离层(7)同石墨烯(1)设置于衬底材料(2)的一侧，用于封装石墨烯(1)、源极(3)与漏极(4)。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光源采用宽带光源，用于产生并提供宽带光。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述测试光路包括迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪包括宽带分束片、定镜、动镜以及位移台(6)，所述动镜搭载于位移台(6)上，所述测试光路通过位移台(6)调整动镜位置进而改变干涉光光谱。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述信号提取装置包括光学调制器与锁相放大器，用于提取光电流信号；

所述光学调制器，用于对来自光源的入射光进行周期性调制；

所述锁相放大器，用于解调和采集与光学调制器频率相匹配的光电流信号。

7.一种基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-6中的任一所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪进行光谱测量，具体步骤包括：

利用光学调制器对来自光源的入射光进行调制，通过迈克尔逊干涉仪动镜调整光束之间的光程差形成干涉光；

将经过调制的干涉光照射在石墨烯光电探测器件上，采集石墨烯光电探测器件对宽带光源的参考光电流干涉图谱；

将待测材料(5)放置在石墨烯光电探测器件上，记录经过调制的干涉光透射待测材料(5)后石墨烯光电探测器件产生的测试光电流干涉图谱；

对参考光电流干涉图谱与测试光电流干涉图谱进行傅里叶变换，获得石墨烯光电探测器件的参考光电流谱与放置待测材料(5)后的测试光电流谱；

结合放置待测材料(5)前后的参考光电流谱与测试光电流谱，得到待测材料(5)的透射谱和吸收谱。

8.根据权利要求7所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述测量方法应用光学调制器对光源入射光进行周期性调制，并利用锁相放大器来提取与光学调制器频率相匹配的光电流信号。

9.根据权利要求7所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的光谱测量方法，其特征在于，所述方法对石墨烯光电探测器件进行定标校准，定标后的石墨烯光电探测器件能够测量任意未知光信号光谱信息，具体定标步骤包括：

以干涉光直接激发未放置待测材料(5)的石墨烯光电探测器件，并采集光电流干涉图谱作为定标基准；

对采集的定标基准光电流干涉图谱进行傅里叶变换并与入射光光谱对照，得到石墨烯光电探测器件的参考光电流谱。

10.一种如权利要求1-6中的任一所述的基于石墨烯光电流谱的傅里叶变换光谱仪的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

在衬底材料(2)上制备石墨烯(1)；

为石墨烯(1)制备引出电极并设置电极引线，所述电极包括源极(3)和漏极(4)；使用电介质隔离层(7)对石墨烯(1)、源极(3)以及漏极(4)进行封装；

搭建包括位移台(6)、分光镜、动镜和定镜的迈克尔逊干涉仪，所述动镜搭载于位移台(6)上；

将宽带光源、光学调制器、迈克尔逊干涉仪、石墨烯光电探测器件与锁相放大器依次连接，通过位移台(6)调节动镜位置改变光束之间的光程差生成干涉光。