太赫兹探测器及其制造方法与流程

本公开涉及太赫兹探测技术领域，尤其涉及一种太赫兹探测器及其制造方法。

背景技术：

太赫兹波是对一个特定波段的电磁波的统称，通常是指振荡频率在0.1thz～10thz之间的电磁波。由于处于电磁波谱的特殊位置，太赫兹波具有穿透性能好、单光子能量低、光谱信息丰富等特点，在安检成像、光谱探测、信息通讯等领域具有重要的应用价值。

目前，应用较多的室温太赫兹探测器包括场效应管探测器、肖特基探测器、太赫兹探测器等几种。肖特基探测器和场效应管探测器可以获得较高的探测灵敏度，但目前其频谱响应范围只限于1thz以下波段，且对加工工艺的要求均较高。太赫兹探测器具有响应频带宽、稳定性好、易于阵列集成等优点，是距离商业化应用最近的室温太赫兹探测器，受到了科研人员的广泛关注。然而，目前的太赫兹探测器的沟道材料对太赫兹波吸收效率较低，热效应响应较慢，且普遍具有增益倍率不足、加工工艺复杂、难以应用到太赫兹波段等问题。此外，传统的光热电型探测器一般要求太赫兹场非对称地照射沟道材料两侧，以便获得非对称的温度场分布，这严重限制了其实用性和可集成性。

技术实现要素：

本公开的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

根据本公开的一个方面的实施例，提供了一种太赫兹探测器，包括：

基底；以及

至少一个探测单元，每个所述探测单元均包括：

沟道材料，所述沟道材料设置在所述基底上，

两个电极，两个所述电极分别与所述沟道材料的纵向方向的两端欧姆接触，和

三维石墨烯，所述三维石墨烯与所述沟道材料直接或间接地热接触。

在一些实施例中，所述三维石墨烯与所述沟道材料的一端直接或间接地热接触。

在一些实施例中，所述三维石墨烯设置在所述沟道材料与所述电极的接触处。

在一些实施例中，所述基底呈u形结构，所述沟道材料的纵向方向的两端分别固定在所述u形结构的两个侧部上，所述三维石墨烯设置在所述u形结构的底部和所述沟道材料之间。

在一些实施例中，所述三维石墨烯粘合到所述沟道材料上。

在一些实施例中，每个所述电极的两端在垂直于所述沟道材料的纵向方向上延伸到所述沟道材料的外侧，并与所述基底连接。

在一些实施例中，所述三维石墨烯呈长方体结构，所述长方体结构的长边平行于所述沟道材料的纵向方向。

在一些实施例中，所述基底包括间隔一定距离设置的第一基底和第二基底，每个所述探测单元的所述沟道材料的纵向方向的第一端与所述第一基底连接，所述沟道材料的纵向方向的第二端从所述第二基底的远离所述第一基底的一侧伸出，每个所述探测单元的两个所述电极分别设置在所述第一基底和所述第二基底上，所述三维石墨烯设置在所述第二基底上，并与所述沟道材料的从所述第二基底穿出的第二端热接触。

在一些实施例中，所述基底包括第一基底以及与所述第一基底间隔一定距离设置的至少一个第二基底，所述至少一个探测单元与所述至少一个第二基底一一对应设置，其中每个所述探测单元的所述沟道材料设置在所述第二基底上，每个所述探测单元的两个所述电极的第一端与所述第一基底连接，并从所述第一基底的远离所述第二基底的一侧伸出，两个所述电极的第二端与设置在所述第二基底上的沟道材料的纵向方向的两端欧姆接触，所述三维石墨烯设置在所述第二基底上。

在一些实施例中，还包括绝缘导热层，所述绝缘导热层设置在所述沟道材料和所述三维石墨烯之间。

在一些实施例中，每个所述电极的第一端均设置有渐缩的针脚结构。

在一些实施例中，多个所述探测单元呈面阵排布或线阵排布。

根据本公开的另一方面的实施例，提供了一种太赫兹探测器的制造方法，包括以下步骤：

制备沟道材料；

将所述沟道材料转移到基底上；

在所述沟道材料的两端制作两个电极；

制备三维石墨烯；

将所述三维石墨烯固定到所述沟道材料上

根据本公开上述各种实施例所述的太赫兹探测器及其制造方法利用直接或间接地与沟道材料热接触的三维石墨烯作为太赫兹波的吸收体，解决了沟道材料对太赫兹波吸收不足的问题，从而有效地提高了探测器的响应灵敏度。此外，由于三维石墨烯对于全波段、大入射角度、任意偏振态的太赫兹波均可实现高效的吸收，因此使得该太赫兹探测器具有工作带宽宽、角度适应性强、对偏振无差别等优点。

附图说明

图1是根据本公开的一种示例性实施例的太赫兹探测器的结构示意图；

图2是根据本公开的另一种示例性实施例的太赫兹探测器的结构示意图；

图3是根据本公开的再一种示例性实施例的太赫兹探测器的结构示意图，其中太赫兹探测器的多个探测单元为线阵排布；

图4是图3所示的太赫兹探测器的一个探测单元的结构示意图；

图5是根据本公开的又一种示例性实施例的太赫兹探测器的结构示意图，其中太赫兹探测器的多个探测单元为面阵排布；以及

图6是图5所示的太赫兹探测器的一个探测单元的结构示意图。

具体实施方式

虽然将参照含有本公开的较佳实施例的附图充分描述本公开，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的公开，同时获得本公开的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本公开所描述的示例性实施例。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本公开的总体上的发明构思，提供了一种太赫兹探测器，包括：基底以及至少一个探测单元，每个所述探测单元均包括：沟道材料，所述沟道材料设置在所述基底上，两个电极，两个所述电极分别与所述沟道材料的纵向方向的两端欧姆接触，和三维石墨烯，所述三维石墨烯与所述沟道材料直接或间接地热接触。

图1是根据本公开的一种示例性实施例的太赫兹探测器的结构示意图。如图所示，该太赫兹探测器包括基底2和一个探测单元，其中基底2适用于为整个太赫兹探测器提供稳定的机械支撑，其为由合适的热电材料形成的单层长方体薄片，这些材料包括但不限于高阻硅、氮化硅、二氧化硅、硅酸盐玻璃等。探测单元包括沟道材料1、两个电极3、4以及三维石墨烯5。其中沟道材料1位于基底2上，用于将从三维石墨烯5传导来的热量转化为方便直接进行探测的电信号，其可以由良好热电性质的材料形成，这些材料包括但不限于石墨烯、碳纳米管、过渡金属硫属化合物等。两个电极3、4分别位于沟道材料1的纵向方向的两端，并与沟道材料1形成良好的欧姆接触，以便将沟道材料1产生的电信号传送给电学检测仪器(未示出)以供测量，电极3、4可采用具有良好导电特性的金属材料制成。三维石墨烯5与基底2连接，并位于一个电极3和沟道材料1接触处的上方，并且和电极3以及沟道材料1均直接地热接触。

使用时，首先将该太赫兹探测器固定在牢固可靠的光学支架上，使其正面面对待测太赫兹波6。当待测太赫兹波6照射到该探测器表面时，三维石墨烯5将吸收待测太赫兹波6，并以热的形式将能量传递给沟道材料1，从而引起沟道材料1靠近电极3的一端温度升高。由此，沟道材料1的两端形成温度差，从而引发光热电效应，在两个电极3、4之间产生温差电动势，可以通过电学检测设备测量该温差电动势的大小即可得出待测太赫兹波6的强度。

由于三维石墨烯5由三维空间中密集交错排列的薄层石墨烯构成，具有一定的机械强度。在三维石墨烯5中，薄层石墨烯之间形成许多大小不等的孔隙结构，这些孔隙的尺寸处于几十微米至上百微米量级，而这一量级刚好与太赫兹波的波长相对应。因此，入射到三维石墨烯5表面的太赫兹波将发生强烈的散射和衍射，并在三维石墨烯5中反复振荡，从而大量地被三维石墨烯吸收。据统计，三维石墨烯5在太赫兹波段的吸收率通常可以达到99％以上。本公开所提出的探测器通过将三维石墨烯5作为吸收体，解决了沟道材料1对待测太赫兹波6吸收不足的问题，从而有效地提高了探测器的响应灵敏度。

此外，由于三维石墨烯5对于全波段、大入射角度、任意偏振态的太赫兹波均可实现高效的吸收，只要使太赫兹波6能照射到器件正面即可，因此使得该太赫兹探测器具有工作带宽宽、角度适应性强、对偏振无差别等优点，这使其比依靠天线收集太赫兹波6的探测器具有更加广阔的应用范围和更优秀的稳定性。

该实施例所提供的太赫兹探测器通过将三维石墨烯5与沟道材料1的纵向方向的一端直接或间接地热接触，以获得非对称的吸收效果，从而使探测器可以工作在均匀太赫兹场环境中，使其便于集成且更加实用。而且，三维石墨烯5的形状、大小和位置可以灵活地调整，这为克服探测机理的缺点、改善探测器件的性能提供了便利。

需要说明的是，虽然在上述实施例中的太赫兹探测器是通过光热电效应来实现探测的，然而本领域的技术应当理解，在本公开的其它一些实施例中，也可以采用辐射热效应和热释电效应等。

图2示出了根据本公开的另一种示例性实施例的太赫兹探测器。如图2所示，该太赫兹探测器包括基底2和一个探测单元。其中，与图1所示的实施例不同的是，基底2呈u形结构，沟道材料1的两端分别固定在u形结构的两个侧部22上，以使得沟道材料1的中间部分悬空，即不与基底2接触。三维石墨烯5设置在u形结构的底部21和沟道材料1之间。

如图2所示，在一种示例性实施例中，三维石墨烯5的底部与基底的底部21牢固地连接，三维石墨烯5的顶部与沟道材料1热接触，例如可以通过导电硅胶将三维石墨烯5粘合到沟道材料1上。

如图1和图2所示，在一些实施例中，电极3、4的两端在垂直于沟道材料1的纵向方向上延伸到沟道材料1的外侧，并与基底2连接，例如粘贴在一起。

如图1和图2所示，在一些实施例中，三维石墨烯5呈长方体形状，长方体的长边平行于沟道材料1的纵向方向，以增加与沟道材料1的接触面积。需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，三维石墨烯5也可以采用其它形状，例如横截面为等腰梯形的形状等。

图3和图4示出了根据本公开的再一种示例性实施例的太赫兹探测器。如图3和图4所示，该太赫兹探测器包括基底2和多个呈线阵排布的探测单元。其中，基底2包括大致平行且间隔一定距离设置的第一基底2-1和第二基底2-2。每个探测单元的沟道材料1的沿纵向方向的第一端与第一基底2-1连接，该沟道材料1的沿纵向方向的第二端与第二基底2-2连接，并从第二基底2-2的远离第一基底2-1的一侧伸出。两个电极3、4中的一个电极4设置在第一基底2-1上，并与沟道材料1的第一端形成良好的欧姆接触，另一个电极3设置在第二基底2-2上，并与沟道材料1的第二端形成良好的欧姆接触。三维石墨烯5设置在第二基底2-2上，并与沟道材料1的第二端形成良好的热接触，该三维石墨烯5能够完全覆盖住沟道材料1的第二端和电极3的一部分。

虽然在该实施例中示出了多个呈线阵排布的探测单元，然而需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，也可以仅设置一个这样的探测单元，或者也可以设置多个呈面阵排布的这种探测单元。

图5和图6示出了根据本公开的又一种示例性实施例的太赫兹探测器。如图5和图6所示，该太赫兹探测器包括基底2和多个呈面阵排布的探测单元。其中，基底2包括第一基底2-1和与该第一基底大致平行且间隔一定距离设置的多个第二基底2-2’。多个探测单元与多个第二基底2-2’一一对应设置，每个探测单元的沟道材料1均设置在第二基底2-2’上，每个探测单元的两个电极3、4的第一端均与第一基底2-1连接，并从第一基底2-1的远离第二基底2-2’的一侧伸出，这两个电极3、4的第二端均与第二基底2-2’连接，并分别与设置在第二基底2-2’上的沟道材料1的纵向方向的两端形成良好的欧姆接触。三维石墨烯5设置在第二基底2-2’上并与沟道材料1间接地热接触。该太赫兹探测器可通过热释电效应来实现探测。当待测太赫兹波6照射到该探测器表面时，三维石墨烯5将吸收太赫兹波6，并以热的形式将能量传递给沟道材料1，从而引起沟道材料1的温度升高，从而引发热释电效应，在两个电极3、4之间产生温差电动势，可以通过电学检测设备测量该温差电动势的大小即可得出待测太赫兹波6的强度。

如图6所示，在每个第二基底2-2’上还设置有覆盖在沟道材料1上的绝缘导热层7，三维石墨烯5设置在绝缘导热层7远离沟道材料1的一侧，这样，绝缘导热层7与三维石墨烯5和沟道材料1之间具有良好的热接触，从而使得三维石墨烯5和沟道材料1之间形成间接的热接触。需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，也可以不设置绝缘导热层7，从而使得沟道材料1和三维石墨烯5直接地热接触。

虽然在该实施例中示出了多个呈面阵排布的探测单元，然而需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，在本公开的其它一些实施例中，也可以仅设置一个这样的探测单元，或者也可以设置多个呈线阵排布的这种探测单元。

如图6所示，在一种示例性实施例中，每个电极3、4从第一基底2-1远离第二基底2-2’的一侧伸出的第一端设置有渐缩的针脚结构31、34，以便于与电路连接。

在本公开未示出的一种示例性实施例中，该太赫兹探测器还包括适用于将每个探测单元的两个电极3、4与电学检测设备的正探针和负探针连接的导线或芯片，以通过读取电学检测设备上的电学量变化即可得出待测太赫兹波6的强度。根据具体的探测原理，可供观测的电学量包括但不限于电压、电流、电阻、电容等。这里的电学检测设备包括且不仅包括数字源表、示波器和锁相放大器。需要说明的是，当太赫兹探测器包括呈线阵排布或面阵排布的多个探测器单元时，该太赫兹探测器还包括相应的电信号处理模块，以对多个探测单元的电信号进行处理。

本公开还提供了一种上述太赫兹探测器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1.制备沟道材料1，该沟道材料1例如可以通过化学气相沉积法生长单层石墨稀，然后将该单层石墨烯转移到滤纸上，并将其裁剪成大小合适的窄条作为沟道材料1；

步骤2：将裁剪好的沟道材料1转移到基底2上；

步骤3：绘制掩模板，通过掩模蒸镀的方法在沟道材料1的两端制作两个电极3、4；

步骤4：制备三维石墨烯5，例如可以通过水合热法制备三维石墨烯块体，并利用激光切割法将其切割成大小合适的形状；

步骤5：例如可以用导热性能良好的导热硅胶将三维石墨烯5固定到沟道材料1上。

在制备完成以后，可以通过数字源表测量两个电极3、4之间的电阻率，以检验该太赫兹探测器是否导通。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

在详细说明本公开的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本公开亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。