一种提高检测精度的光热探测器及其制备方法与流程

本发明属于探测器技术领域，具体涉及一种提高检测精度的光热探测器及其制备方法。

背景技术

目前光电探测器主要分为两种，光子型探测器和光热型探测器，其中热释电探测器为光热型探测器中很重要的一种，广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段激光的探测。但目前的大多光热探测器的吸收点都比较大，且无精确吸收点，无法准确探测固定面积对于光子的吸收及其光热转化效率。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的光热探测器对于无法准确探测固定面积对于光子的吸收及其光热转化效率的问题，本申请实施例提出了一种提高检测精度的光热探测器及其制备方法，本申请实施例光热探测器通过在纳米层设置固定面积的第一纳米孔，表层覆盖有由硅材料制成的挡光层，挡光层上设有与第一纳米孔相同的第二纳米孔，使得光照位置就控制在第一纳米孔，通过该固定面积吸收来达到精确测定其光子吸收和光热转化的目的，结构简单，使用方便。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种提高检测精度的光热探测器，由基底层、介质层、纳米层和挡光层由下及上依次连接构成；所述纳米层上设有第一纳米孔；所述第一纳米孔内填充有贵金属颗粒；所述挡光层上设有与所述第一纳米孔相同的第二纳米孔；所述第一纳米孔和第二纳米孔上下位置相对；所述纳米层两侧分别设有第一电极和第二电极用于连接外电路；所述挡光层的面积不小于所述纳米层的面积；所述纳米层由热敏感材料制成；所述挡光层由硅材料制成。

进一步地，所述纳米层与所述挡光层之间还连接有一石墨烯薄膜层；所述石墨烯薄膜层与所述贵金属颗粒上表面之间的距离不大于100nm。

进一步地，所述介质层由二氧化硅材料制成；所述石墨烯薄膜层为两层石墨烯；所述贵金属颗粒的径长为10~100nm。

进一步地，所述基底层和介质层之间还设有一层金膜。

进一步地，一种光热探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备基底：准备清洁干净的ito玻璃作为基底层备用；

步骤2、蒸镀：将步骤1准备好的ito玻璃放入电子束真空蒸发镀膜机中依次蒸镀二氧化硅和锗化硅，待蒸镀完成并冷却后拿出，形成所述介质层和纳米层；

步骤3、刻蚀：利用聚焦离子束技术在形成的锗化硅层上刻蚀第一纳米孔；

步骤4、沉积贵金属颗粒：将步骤3中刻蚀后含有第一纳米孔的基底浸泡于含有链接剂的金属球溶液中不少于20min，保证金属球可以充分沉积到第一纳米孔中，然后将基底拿出并放置在热板上烘干备用；

步骤5、制备挡光层：准备洁净硅片并利用聚焦离子束技术在硅片上刻蚀与所述第一纳米孔相同的第二纳米孔，形成挡光层；

步骤6、组合：利用湿法转移将两层石墨烯薄膜铺于步骤4中沉积贵金属颗粒后的纳米层上并吹干，得到所述石墨烯薄膜层；

然后将步骤5中制备的挡光层在真空条件下平铺于石墨烯薄膜层上，然后校准至所述第一纳米孔和第二纳米孔上下相对；

步骤7、镀电极：在第一纳米层的两侧利用电化学蒸镀方法分别镀上第一电极和第二电极，即可得到所述光热探测器。

进一步地，所述步骤4中的烘干温度均不高于130℃；所述步骤5中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3：1配合制成；所述步骤6中吹干使用氮气吹干。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本申请实施例光热探测器采用由热敏材料制成的纳米层，在纳米层设置固定面积的第一纳米孔，表层覆盖设有与第一纳米孔相同的第二纳米孔的挡光层，使得光照位置就控制在第一纳米孔，通过该固定面积吸收来达到精确测定其光子吸收和光热转化的目的，结构简单，使用方便。

（2）本申请实施例挡光层是由硅制成的设有与第一纳米孔位置相同的第二纳米孔，其导带和价带之间的禁带宽度大，每一份光量子提供的能量较低，电子很难越过禁带，故而对光子的吸收率很小，反射率很大，所以对光子的吸收率很低，反射率很高，尤其是当光波长大于1200nm时，对光的吸收更小，可忽略不计，对入射光的反射性能优异，保证分光层不吸光，只作为分光之用，将探测误差降到最低限度。

本申请实施例挡光层设有与纳米层第一纳米孔相同的第二纳米孔，第一纳米孔和第二纳米孔大小相同、位置相对，第一纳米孔和第二纳米孔为纳米孔，保证入射光照射到纳米层第一纳米孔贵金属颗粒吸收点的面积固定，保证纳米层吸收点，也就是第一纳米孔单位面积接收到的光量始终固定相等，可用于探测单位面积的光照强度的热电转化，提高光热探测精度。

（3）本申请实施例光热探测器纳米层使用热敏感材料制成，在热敏感材料中间设有第一纳米孔，利用挡光层将除照射点之外的光全都反射，光只是通过第二纳米孔照射传播到第一纳米孔内的贵金属颗粒；当入射光竖直照射时，贵金属颗粒表面的自由电子发生振动产生集体振动能，产生热能，将热能传递给热敏感材料，产生电极化，将电信号通过电极输送到外电路用于表征。

（4）本申请实施例光热探测器贵金属颗粒采用的是纳米粒子，贵金属颗粒的直径为10~100nm，贵金属颗粒的径长远小于入射波长，在共振波长的照射下使得金属球表面的自由电子受到电场极化方向的影响而产生不均匀的分布，并且随着电磁场振荡而运动以反抗外在的电磁场的穿透，从而引发金属球内自由电子的集体运动，造成极强的远场散射与极强的近场电场放大，产生最大幅度的电磁场增益，从而提高本申请实施例光热探测器对于入射光的吸收。

（5）本申请实施例光热探测器石墨烯薄膜层采用双层石墨烯薄膜，石墨烯是一个很好的饱和体和吸收体，双层石墨烯薄膜之间可以形成谐振腔，使光在谐振腔内的传导时间更长，双层石墨烯的单光子吸收系数（约为2.1×10⁸m^-1）大于单层石墨烯的（约为6.8×10⁷m^-1）吸收系数，本申请实施例采用双层石墨烯薄膜，吸收效率更好，能力更强。

（6）本申请实施例光热探测器在基底层下表面还设有金膜，利用金膜与入射光之间的耦合作用，从上下两个层面加强对于入射光的吸收，使得本申请实施例探测器的光吸收效果更好。

（7）本申请实施例光热探测器结构简单，制备方便，易于操作，增强吸收明显，具有很强的实用推广价值。

附图说明

图1是本申请实施例1和实施例2光热探测器结构示意图；

图2是本申请实施例3光热探测器结构示意图；

图3是本申请实施例光热探测器结构纳米层结构示意图；

图4是本申请实施例光热探测器对入射光的吸收光谱图。

其中，图中：1、基底层；2、介质层；3、纳米层；31、第一纳米孔；32、第二纳米孔；4、石墨烯薄膜层；5、挡光层；51、第二纳米孔；61、第一电极；62、第二电极；7、金膜。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的光热探测器对于无法准确探测固定面积对于光子的吸收及其光热转化效率的问题，本申请实施例提出了一种提高检测精度的光热探测器及其制备方法，本申请实施例光热探测器通过在纳米层设置固定面积的第一纳米孔，表层覆盖有由硅材料制成的挡光层，挡光层上设有与第一纳米孔相同的第二纳米孔，使得光照位置就控制在第一纳米孔，通过该固定面积吸收来达到精确测定其光子吸收和光热转化的目的，结构简单，使用方便。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例光热探测器由基底层1、介质层2、纳米层3和挡光层5由下及上依次连接构成。挡光层5的面积不小于纳米层3的面积，纳米层3由热敏感材料制成，如图3所示，纳米层3上设有第一纳米孔31，第一纳米孔31内填充有贵金属颗粒32，挡光层5由硅材料制成，并在挡光层5上设有与第一纳米孔31相同的第二纳米孔51，第一纳米孔31和第二纳米孔51上下位置相对，纳米层3两侧分别设有第一电极61和第二电极62用于连接外电路。

具体而言：介质层2由二氧化硅材料制成，贵金属颗粒32的径长为10~100nm。本实施例光热探测器纳米层3使用热敏感材料制成，在热敏感材料中间设有第一纳米孔31，利用挡光层5将除照射点之外的光全都反射，光只是通过第二纳米孔51照射传播到第一纳米孔31内的贵金属颗粒32，当入射光竖直照射时，贵金属颗粒32表面的自由电子发生振动产生集体振动能，产生热能，将热能传递给热敏感材料，产生电极化，将电信号通过电极输送到外电路用于表征。

当入射光通过挡光层5第二纳米孔51竖直照射到第一纳米孔31贵金属颗粒32表面时，贵金属颗粒32表面的自由电子产生集体振动，形成沿着贵金属颗粒32表面传播的电磁波，当入射光的频率与贵金属颗粒32共振频率相等时，产生共振现象，入射光的能量转化为金属内部自由电子的集体振动能，振动产生的热能传递到由热敏材料制成的纳米层3，随着贵金属颗粒32的温度不断的变化，热敏材料的温度也随之改变，热敏材料晶体表面的极化电荷则随之发生改变。在外电场的作用下，正电荷趋向阴极，负电荷趋向阳极，纳米层3一个表面带正电，一个表面带负电，产生电极化现象，从而达到从光到电的信号转化，然后通过外电路将电信号输出，利用电信号表征光信号。

具体而言：本实施例光热探测器贵金属颗粒32采用的是纳米粒子，本实施例优选为金颗粒。贵金属颗粒32的直径为10~100nm，贵金属颗粒32的径长远小于入射波长，在共振波长的照射下使得金属球表面的自由电子受到电场极化方向的影响而产生不均匀的分布，并且随着电磁场振荡而运动以反抗外在的电磁场的穿透，从而引发金属球内自由电子的集体运动，造成极强的远场散射与极强的近场电场放大，产生最大幅度的电磁场增益，从而提高本申请实施例光热探测器对于入射光的吸收。

本实施例光热探测器纳米层3采用热敏材料制成，本实施例优选为锗化硅材料，在纳米层3设置固定面积的第一纳米孔31，表层覆盖设有与第一纳米孔31相同的第二纳米孔51的挡光层5，使得光照位置就控制在第一纳米孔31，通过该固定面积吸收来达到精确测定其光子吸收和光热转化的目的，结构简单，使用方便。

挡光层5由硅材料制成。本实施例挡光层5是由硅制成的设有与第一纳米孔31位置相同的第二纳米孔51，其导带和价带之间的禁带宽度大，每一份光量子提供的能量较低，电子很难越过禁带，故而对光子的吸收率很小，反射率很大，所以对光子的吸收率很低，反射率很高，尤其是当光波长大于1200nm时，对光的吸收更小，可忽略不计，对入射光的反射性能优异，保证分光层不吸光，只作为分光之用，将探测误差降到最低限度。

本实施例挡光层5设有与纳米层3第一纳米孔31相同的第二纳米孔51，第一纳米孔31和第二纳米孔51大小相同、位置相对，第一纳米孔31和第二纳米孔51为纳米孔，保证入射光照射到纳米层3第一纳米孔31贵金属颗粒32吸收点的面积固定，保证纳米层3吸收点，也就是第一纳米孔31单位面积接收到的光量始终固定相等，可用于探测单位面积的光照强度的热电转化，提高光热探测精度。

如图4(a)所示，为本实施例光热探测器无石墨烯薄膜层4的光吸收谱线图，在紫外和可见光波段吸收率为40%左右，在长波段无响应。

实施例2：

基于实施例1公开的一种光热探测器结构，本实施例还公开了一种光热探测器结构，如图1和图3所示，在实施例1的基础上，纳米层3与挡光层5之间还连接有一石墨烯薄膜层4，石墨烯薄膜层4与贵金属颗粒32上表面之间的距离不大于100nm。

具体而言：石墨烯薄膜层4为两层石墨烯，本实施例光热探测器石墨烯薄膜层4采用双层石墨烯薄膜，石墨烯是一个很好的饱和体和吸收体，双层石墨烯薄膜之间可以形成谐振腔，使光在谐振腔内的传导时间更长，双层石墨烯的单光子吸收系数（约为2.1×10⁸m^-1）大于单层石墨烯的（约为6.8×10⁷m^-1）吸收系数，本实施例采用双层石墨烯薄膜，吸收效率更好，能力更强。

石墨烯薄膜层4与贵金属颗粒32上表面之间的距离不大于100nm，当入射光照射时，缩短石墨烯薄膜层4与贵金属颗粒32之间的距离，增加耦合强度。

如图4(b)所示，为本实施例光热探测器增加石墨烯薄膜层4后的光吸收谱线图，在紫外和可见波段吸收效率相比于无石墨烯薄膜层4时明显提高，尤其是在短波处产生一个吸收模式，当λ=820nm，吸收率a=66%，相比于传统感光材料，光吸收率更高，效果更好。

实施例3：

基于实施例2公开的一种光热探测器结构，如图2所示，本实施例还公开了一种光热探测器结构，在实施例2的基础上，基底层1和介质层2之间还设有一层金膜7。

具体而言：本实施例光热探测器在基底层1下表面还设有金膜7，利用金膜7与入射光之间的耦合作用，从上下两个层面加强对于入射光的吸收，使得本申请实施例探测器的光吸收效果更好。

如图4(c)所示，为本实施例光热探测器增加金膜7后的光吸收谱线图，各波段的吸收均有所增长，并且在实施例2中λ=820nm的吸收模式吸收率从66%增加到90%，在长波长处，还增加了一个新的吸收模式：λ=2540nm，a=30.68%。

实施例4：

基于实施例2公开的一种光热探测器结构，本实施例公开了一种光热探测器结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备基底：准备清洁干净的ito玻璃作为基底层1备用；

步骤2、蒸镀：将步骤1准备好的ito玻璃放入电子束真空蒸发镀膜机中依次蒸镀二氧化硅和锗化硅，待蒸镀完成并冷却后拿出，形成介质层2和纳米层3；

步骤3、刻蚀：利用聚焦离子束技术在形成的锗化硅层上刻蚀第一纳米孔31；

步骤4、沉积贵金属颗粒32：将步骤3中刻蚀后含有第一纳米孔31的基底浸泡于含有链接剂的金属球溶液中不少于20min，保证金属球可以充分沉积到第一纳米孔31中，然后将基底拿出并放置在热板上烘干备用；

步骤5、制备挡光层5：准备洁净硅片并利用聚焦离子束技术在硅片上刻蚀与第一纳米孔31相同的第二纳米孔51，形成挡光层5；

步骤6、组合：利用湿法转移将两层石墨烯薄膜铺于步骤4中沉积贵金属颗粒32后的纳米层3上并吹干，得到石墨烯薄膜层4；

然后将步骤5中制备的挡光层5在真空条件下平铺于石墨烯薄膜层4上，然后校准至第一纳米孔31和第二纳米孔51上下相对；

步骤7、镀电极：在第一纳米层3的两侧利用电化学蒸镀方法分别镀上第一电极61和第二电极62，即可得到光热探测器。

具体而言：步骤4中的烘干温度均不高于130℃；步骤5中显影液由四甲基二戊酮与异丙醇以体积比为3：1配合制成；步骤6中吹干使用氮气吹干。

本申请实施例提供的制备实施例1和实施例2光热探测器的制备过程，也可用于制备实施例3中提出的光热探测器。本实施例提供的光热探测器制备方法简单易于操作，增强吸收明显，具有很强的实用推广价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。