一种叉指电极结构偏振相关窄带探测器、其制备和应用的制作方法

本发明属于偏振相关窄带探测器领域，具体涉及一种叉指电极结构偏振相关窄带探测器、其制备和应用。

背景技术：

世界范围第三代红外探测器已经具有大规模面阵及双色探测功能的凝视型成型系统。从物理机制上看，探测目标发出的红外辐射本质是电磁波，它具有强度，波长和偏振等多个维度的信息。而传统红外探测器本质是能量分布探测器，在像元层次只对电磁辐射的强度信息有感知能力，并无对波长和偏振信息的感知能力，因而导致对分立元件如滤光片和偏振片等的依赖。新型红外探测器的设计与创新更多从像元层次入手，通过引入新的物理机制并构建新的像元结构以实现新的探测功能。

超表面是人工制造的具有亚波长量级尺寸的周期单元结构，其周期长度一般小于入射波长，它与电磁波互相作用时将在金属表面发生等离子体谐振效应，吸收峰通常出现在谐振频率附近，一般可以通过调整超表面的几何结构参数与材料性质对吸收峰进行调控，其高度的人工可操作性与广泛的应用前景受到各国研究人员的关注。

胶体量子点与普通光电探测材料相比，具有尺寸可控且均匀性好、活性高、物化特性可控、易于表面修饰与室温成膜等特点，量子点由于具有三个维度的限域效应，电子能量在三个维度都具有量子化特性，故任何偏振光都可以诱导子带发生跃迁，优异的光电特性使量子点作为光电探测器的新型材料而倍受广大科研工作者的关注。

传统光电探测器对于能量高于能量带隙的光波都具有较强的吸收，为了提升探测精度，需要增加滤光片、光栅等光学器件来限制探测器响应带宽，导致探测器体积过大，难以集成且成本高昂。

近年许多研究人员提出了不同结构的红外超表面吸收体，但在短波红外区域的窄带吸波体进而制成探测器的研究不是很多，或者是这些结构具有吸收效率不高，吸收带较宽，制备工艺困难等缺点。

一般的量子点探测器都是由于自身材料特性而对光波具有一个较宽的吸收带，无法实现多波长探测以及偏振探测，且量子点导电性有限，正负电极距离过大会影响量子点探测器的灵敏度。

专利cn107170849a公开了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，实现了特定波长的偏振吸收，然而由于其超表面结构的特点以及探测原理决定了其探测器灵敏度和吸收率有待进一步提高；且量子点薄膜处于中间层，导致其制备工艺复杂。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器、其制备和应用，其通过利用叉指电极结构阵列上产生的局域表面等离激元共振效应与谐振腔的共同作用使得特定波长光能量逐渐被转化吸收殆尽，由探测材料胶体量子点转化为电信号，提高该偏振相关窄带探测器对光的吸收率。由此解决现有技术的探测器需要额外光学配件、对特定波长光的吸收率较低、探测器灵敏度不高等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，自下而上包括衬底、金属背板、二氧化硅层、叉指电极结构阵列层以及胶体量子点层；其中

所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。

优选地，所述金属背板为金背板、银背板或铝背板，所述金属背板的厚度为50-100nm。

优选地，所述二氧化硅层的厚度为50-300nm。

优选地，所述叉指电极结构阵列层使用的材料为金，厚度为50-100nm；所述叉指电极单元结构的周期长度为800-2000nm。

优选地，所述中空条形结构的宽度为100-200nm，所述中空增宽结构最宽处的宽度与所述叉指电极单元结构的周期长度比为0.2-0.8。

优选地，所述中空增宽结构为圆形。

按照本发明的另一个方面提供了所述的偏振相关窄带探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)选取衬底，通过电子束蒸发在所述衬底上镀一层金属背板；

(2)使用化学气相沉积法在步骤(1)得到的金属背板上沉积二氧化硅层；

(3)在步骤(2)得到的二氧化硅层表面旋涂光刻胶，将预先设计好的条型结构版图通过电子束曝光设备对所得的样品的光刻胶面曝光，形成带有图案的光刻胶层；然后对曝光后的样品进行显影处理，得到叉指电极结构阵列的光刻胶层；

(4)通过电子束蒸发在步骤(3)得到的样片表面蒸镀金属材料，并进行剥离去胶处理以形成叉指电极结构阵列；

(5)在步骤(4)表面所得的样品表面旋涂胶体量子点，制得所述偏振相关窄带探测器。

优选地，步骤(4)所述金属材料为金，厚度为50-100nm。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的偏振相关窄带探测器的应用，应用于光纤通信、光学成像、气体传感或光谱分析。

本发明对光进行调控的结构一方面是由金属材料构成的叉指电极结构阵列对光进行调控：入射光在叉指电极结构阵列上产生局域表面等离激元共振；另一方面，叉指电极结构、金属背板反射镜及中间二氧化硅层三者形成的光学谐振腔与局域表面等离激元共振效应与谐振腔的共同作用使得特定波长光能量逐渐被转化吸收殆尽，由探测材料胶体量子点转化为电信号，因此吸收率会更高。本发明提供的探测器能够提升特定波长探测的吸收效率，同时具有窄带滤波和偏振探测特性。

本发明在光学调控上，金属结构的叉指电极单元结构周期性排布，当正入射光偏振方向与叉指电极的中空条形结构的条形方向平行时，该入射光为tm波；当正入射光偏振方向与叉指电极中空条形结构的条形方向垂直时，该入射光为te波。通过调控中空增宽结构增宽方向的宽度，实现该探测器对所述tm波或te波的偏振选择；通过调控所述叉指电极单元结构的周期，实现该探测器对所述tm波或te波不同波段的吸收。利用局域表面等离激元共振效应与谐振腔的共同作用实现对近红外波段可调的窄带滤波和偏振选择探测。而本发明在电学测量更具有优势，周期性排列的单元光学天线宏观上形成叉指形状的正负电极。由于胶体量子点的导电性有限，正负电极的间距直接影响胶体量子点探测器的灵敏度，本发明的设计充分利用了光学天线周期性排列形成的叉指电极结构，大大减少了正负电极间距，增大了正负电极的接触面积，从而提升光电探测器的探测灵敏度。

本发明基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器结构中的金属背板、二氧化硅层、叉指电极结构阵列层构成金属-介质-金属的三层超表面结构，其中叉指电极结构阵列层中的叉指电极不再仅仅起到电极的作用，而且其作为本发明金属-介质-金属的三层超表面结构中的一部分，发挥着在叉指电极层激发表面等离激元的作用。本发明的超表面结构实现的近场增强比专利cn107170849a中的介质超表面的电场增强更强，光电流增强；而且本发明的叉指电极结构缩小了正负电极间的距离，提高了探测器的灵敏度。

另外，本发明提出的基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器由于结构不同，相应地也改进了探测器的制备工艺，在金属-介质-金属的三层超表面结构制备完成后再在样片上旋涂量子点薄膜，其制备工艺更加简单，避免了现有技术中中间层为量子点薄膜的工艺复杂性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，其利用叉指结构阵列对短波红外特定波长的谐振作用，实现对特定波长光的全吸收，通过调节叉指结构阵列的几何结构参数实现可见光到红外光的特定波长吸收，具有偏振探测能力，同时叉指电极结构减少了正负电极的距离，增大正负电极接触面积，提高传统胶体量子点探测器探测灵敏度。

(2)本发明将可以调控波长、偏振态等电磁参量的超表面结构即叉指电极阵列结构应用于红外探测领域，并与新型探测材料胶体量子点相结合，形成了集成化，功能一体化的新型红外探测器。一方面本探测器具有窄带滤波特性，可在短波红外处用于替代滤波片，便于集成化应用于光纤通信、气体传感、光谱分析等领域。另一方面，本探测器探测红外光具有偏振相关性，对具有垂直于平行于光栅的电场矢量光波有不同吸收特性，即可以探测不同偏振方向的光信号，可应用于偏振探测。

(3)本发明提出的基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器的制备方法简单易行，易于规模化。该制备方法响应迅速，可操作性强，具有广泛的应用前景。

(4)本发明提出利用像元级集成的一种基于量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，使胶体量子点探测器在像元层次具备对波长选择与偏振探测的功能，提高在短波红外波段的探测维度和效率。利用超表面吸收体和量子点结合，实现窄带偏振探测，且叉指电极提高探测灵敏度。且本发明提出的叉指电极结构偏振相关窄带探测器为近场增强，光电流更强。

(5)本发明通过调整胶体量子点厚度、二氧化硅厚度、叉指电极结构阵列厚度、叉指电极结构单元周期，每一个中空条形结构以及中空增宽结构的宽度，叉指电极结构单元中的圆孔直径占单元结构周期的比例，可实现不同波段(1-3微米)的窄带吸收。

附图说明

图1是探测器的结构示意图；

图2是叉指电极阵列结构单元示意图。

图3是电子束曝光工艺版图示意图。

图4是本发明中实施例2的光谱吸收率\光电响应率图。

图5是本发明中实施例3的光谱吸收率\光电响应率图。

图6是本发明中实施例4的光谱吸收率\光电响应率图。

图7是本发明中实施例5的光谱吸收率\光电响应率图。

图8为本发明中实施例6的光谱吸收率\光电响应率图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为硅衬底、2为金背板、3为二氧化硅层、4为叉指电极阵列结构、5为胶体量子点层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明旨在提高胶体量子点探测器在像元层次具备对波长选择与偏振探测的功能，提高在短波红外波段的探测维度和效率。为此，本发明提供了一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，如图1所示，自下而上包括衬底、金属背板、二氧化硅层、叉指电极结构阵列层以及胶体量子点层；其中

所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。

如图2所示，1为硅衬底、2为金背板、3为二氧化硅层、4为叉指电极阵列结构中的一个叉指电极结构单元和5胶体量子点层。

使用时，入射光在所述叉指电极结构阵列上产生局域表面等离激元共振；当正入射光偏振方向与叉指电极的中空条形结构的条形方向平行时，该入射光为tm波；当正入射光偏振方向与叉指电极中空条形结构的条形方向垂直时，该入射光为te波。通过改变中空增宽结构增宽方向的宽度，实现该探测器对所述tm波和所述te波的偏振选择；通过调控所述叉指电极单元结构的周期实现该探测器对所述tm波或te波不同波段的吸收。

所述叉指电极结构阵列、金属背板及中间二氧化硅层三者形成光学谐振腔，局域表面等离激元共振效应与谐振腔的共同作用使得特定波长光能量逐渐被转化吸收殆尽，由探测材料胶体量子点转化为电信号，提高该偏振相关窄带探测器对特定波长光的吸收率。这一特定波长是通过调整该偏振相关窄带探测器结构参数获得的在1-3微米波段的某一特定波长。本发明通过调控该探测器结构参数，实现对某一特定波长的窄带吸收。

本发明所述探测器的衬底可以为硅衬底或者二氧化硅等无机衬底。

一些实施例中，所述金属背板为金背板、银背板或铝背板，所述金属背板的厚度为50-100nm。

一些实施例中，所述二氧化硅层的厚度为50-300nm。

一些实施例中，所述叉指电极结构阵列层使用的材料为金，厚度为50-100nm；所述叉指电极单元结构的周期长度为800-2000nm。

一些实施例中，所述中空条形结构的宽度为100-200nm，所述中空增宽结构最宽处的宽度与所述叉指电极单元结构的周期长度比为0.2-0.8。

一些实施例中，中空增宽结构为圆形，所述中空增宽结构最宽处的宽度即为所述圆形的直径。

本发明还提供了所述的偏振相关窄带探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)选取衬底，通过电子束蒸发在所述衬底上镀一层金属背板；

(2)使用化学气相沉积法在步骤(1)得到的金属背板上沉积二氧化硅层；

(3)在步骤(2)得到的二氧化硅层表面旋涂光刻胶，将预先设计好的条型结构版图通过电子束曝光设备对所得的样品的光刻胶面曝光，形成带有图案的光刻胶层；然后对曝光后的样品进行显影处理，得到叉指电极结构阵列的光刻胶层；

(4)通过电子束蒸发在步骤(3)得到的样片表面蒸镀金属材料，并进行剥离去胶处理以形成叉指电极结构阵列；

(5)在步骤(4)表面所得的样品表面旋涂胶体量子点，制得所述偏振相关窄带探测器。

一些实施例中，步骤(4)所述金属材料为金，厚度为50-100nm。

本发明通过改变参数调节探测器的特定吸收波长时，需要更换具有相同吸收波长的量子点。比如，当需要吸收波长为1550nm的特定波长光时，一些实施例中，所述胶体量子点为pbs胶体量子点。

本发明还提供了所述的偏振相关窄带探测器的应用，应用于光纤通信、光学成像、气体传感或光谱分析。

本发明提出的利用像元级集成的一种基于量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，使胶体量子点探测器在像元层次具备对波长选择与偏振探测的功能，提高在短波红外波段的探测维度和效率。

本发明通过调整胶体量子点厚度、二氧化硅厚度、叉指电极结构阵列厚度、叉指电极结构单元周期，每一个中空条形结构以及中空增宽结构的宽度，叉指电极结构单元中的圆孔直径占单元结构周期的比例，可实现不同波段(1-3微米)的窄带吸收。

以下为实施例：

实施例1：

本发明提出的基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器制作方法具体包括如下步骤：

首先，选取硅衬底，本实施中选取普通商用硅片。第一步用丙酮溶液超声波清洁3分钟。第二步用无水乙醇溶液超声波清洁3分钟；最后在去离子水中用超声波清洁2分钟，将表面清洗干净以便于后续生长。首先使用电子束蒸发设备镀一层50-100nm金，形成金背板。接着，用磁控溅射设备或化学气相沉积设备在洁净的衬底表面生长50nm-300nm厚的二氧化硅。设计如图3阵列结构图案，并制成版图，先在硅上均匀旋涂一层曝光胶，涂抹厚度为100nm-400nm。使用电子束曝光设备通过选择曝光剂量250uc-450uc，曝光精度0.001bss-0.01bss，曝光电流100pa-500pa，实现周期叉指电极结构的图案和尺寸的设计。通过化学显影方式，对已曝光的胶进行显影，然后使用电子束蒸发设备镀一层50-100nm金，通过化学方法去掉曝光胶，此时样片硅表面形成叉指电极结构阵列。图3是电子束曝光工艺版图示意图。使用匀胶机旋涂100nm-200nm厚度的胶体量子点，制成探测器样片。

实施例2：

一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括硅衬底1、金背板2、二氧化硅层3、叉指电极阵列结构4、胶体量子点层5。所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。

其中，金背板厚度为100nm，二氧化硅层厚度300nm，叉指电极结构阵列厚度为50nm，单元结构周期为900nm，中空条形结构宽度为100nm，中空增宽结构为圆形，该中空增宽结构即为一个圆孔，该圆孔直径占空比即该圆孔形中空增宽结构的直径占所述叉指电极单元结构周期的比值为0.5；金背板厚度为100nm，胶体量子点为pbs胶体量子点。

通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图4可知，在正入射光偏振方向与叉指电极中空条形结构平行时(tm波)，该结构的吸收峰值波长为1500nm，吸收率达到98％。相同参数结构在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构垂直时(te波)，其在1500nm处的吸收率只有4％。

实施例3：

一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括硅衬底1、金背板2、二氧化硅层3、叉指电极结构4、胶体量子点5。所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。以上金背板厚度为100nm，二氧化硅层厚度300nm，叉指电极结构阵列厚度为50nm，单元结构周期为1200nm，中空条形结构宽度为100nm，圆孔直径占空比为0.5；金背板厚度为100nm。

通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图5可知，在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构平行时(tm波)，该结构的吸收峰值波长为1976nm，吸收率达到99％。相同参数结构在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构垂直时(te波)，其在1976nm处的吸收率只有4％。

实施例4：

一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括硅衬底1、金背板2、二氧化硅层3、叉指电极结构4、胶体量子点5。所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。以上金背板厚度为100nm，二氧化硅层厚度300nm，叉指电极结构阵列厚度为50nm，单元结构周期为1500nm，中空条形结构宽度为100nm，圆孔直径占空比为0.5,；金背板厚度为100nm。

通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图6可知，在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构平行时(tm波)，该结构的吸收峰值波长为2450nm，吸收率达到96％。相同参数结构在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构垂直时(te波)，其在2450nm处的吸收率只有4％。

实施例5

一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括硅衬底1、金背板2、二氧化硅层3、叉指电极结构4、胶体量子点5。所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。以上金背板厚度为100nm，二氧化硅层厚度300nm，叉指电极结构阵列厚度为50nm，单元结构周期为900nm，中空条形结构宽度为100nm，圆孔直径占空比为0.3,金背板厚度为100nm。

通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图7可知，在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构垂直时(te波)，该结构的吸收峰值波长为1331nm，吸收率达到99％。相同参数结构在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构平行时(tm波)，其在1331nm处的吸收率只有4％。

实施例6

一种基于胶体量子点的叉指电极结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括硅衬底1、金背板2、二氧化硅层3、叉指电极结构4、胶体量子点5。所述叉指电极结构阵列层由若干个叉指电极单元结构纵横排列构成，所述叉指电极单元结构包括中空结构以及中空结构两侧的条形金属，所述中空结构包括两端的中空条形结构以及中间的中空增宽结构，且所述中空增宽结构的增宽方向垂直于所述中空条形结构的条形所在的方向；一个所述中空条形结构的条形宽度与所述中空条形结构两侧的条形金属宽度的总和构成一个所述叉指电极单元结构的周期。以上金背板厚度为100nm，二氧化硅层厚度300nm，叉指电极结构阵列厚度为50nm，单元结构周期为1500nm，中空条形结构宽度为100nm，圆孔直径占空比为0.3，金背板厚度为100nm。

通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图8可知，在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构垂直时(te波)，该结构的吸收峰值波长为2145nm，吸收率达到99％。相同参数结构在正入射光偏振方向与叉指电极中空的条形结构平行时(tm波)，其在2145nm处的吸收率只有3％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。