一种室温下工作的中长波红外探测器及其制备方法

本发明属于红外探测，涉及一种室温下工作的中长波红外探测器及其制备方法，具体涉及一种基于碲化铋(bi2te3)六角形纳米片的室温中长波红外波段探测器及其制备方法。

背景技术：

1、红外(ir)光探测已广泛应用于现代多功能技术，如热成像、生物医学成像、夜视、信息通信、军事等。这涉及从750nm到1mm的检测波长范围，分为五个区域：近红外750nm～1μm、短波红外1μm～3μm、中波红外3μm～6μm、长波红外6μm～15μm和远红外15μm～1mm。高于绝对零度的物体都会不停向外界发射红外辐射，而人体和宇宙天体的辐射波长处于长波红外波段。适宜的红外探测器能接收到长波红外并将其转换成相应的电信号而被检测到，可以有效应用到导弹制导，太空躲避障碍物等军事和航天领域。

2、红外探测材料是发展红外探测器的基础，目前，主要发展的红外探测材料有hgcdte(mct)、红外量子阱(qwip)、锑化物ii型超晶格(inas/ga(in)sb)以及非制冷型红外探测材料。

3、经过众多科研人员多年的努力，基于mct和qwip材料的红外探测器在长波红外波段的性能有所提高。但是，由于受到材料本身和器件物理机制的限制，仍然存在一些难以克服的问题。例如：碲镉汞、量子阱、超晶格等材料制备需要用到分子数外延技术，其工艺复杂、成本高。而且利用分子束外延技术制备的材料，也会产生大量失配位错，失配位错是非辐射复合中心，会将光生载流子复合，影响红外器件性能。此外，探测器需要在低温下探测，器件需要额外的功耗，体积，器件应用极大地受到限制。

技术实现思路

1、为了实现可在室温甚至高温下工作的中长波红外探测器，本发明提供了一种基于bi2te3六角形纳米材料，可在室温下工作的中长波红外探测器及其制备方法。本发明采用溶剂热法制备了晶体质量良好的纳米材料。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种室温下工作的中长波红外探测器，包括衬底、bi2te3纳米材料层和铬金电极，所述bi2te3纳米材料层涂覆在衬底上，铬金电极设置在bi2te3纳米材料层上。

4、进一步的，所述bi2te3纳米材料层的厚度为50～20μm，bi2te3纳米材料层的边长为350μm～400μm。

5、进一步的，所述衬底为硅衬底或gaas衬底，所述硅衬底的材质为本征硅。

6、进一步的，所述铬金电极包括铬层和金层，所述铬层镀在bi2te3纳米材料层上，所述金层镀在铬层上；所述铬层的厚度为20-100nm，所述金层的厚度为150-300nm；所述铬金电极为叉指电极，叉指之间间距为150-300μm，优选的，叉指之间间距为200μm。

7、进一步的，所述bi2te3纳米材料层中的bi2te3纳米材料为六角形纳米材料。

8、一种所述的室温下工作的中长波红外探测器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤一、利用溶剂热工艺生长bi2te3六角形纳米材料；

10、步骤二、将bi2te3六角形纳米材料旋涂于衬底上；

11、步骤三、利用磁控溅射技术在bi2te3纳米材料层表面沉积两个铬金电极。

12、进一步的，所述步骤一中，溶剂热工艺如下：0.5gpvp溶解于33ml乙二醇，分别加入0.5mol氧化铋和1.5mol氧化碲，再加入0.2～0.6gnaoh搅拌1～3h，最后160-200℃，18～24h溶剂热反应，洗涤离心得到碲化铋六角形纳米材料。

13、进一步的，所述步骤二中，旋涂工艺如下：将bi2te3六角形纳米材料超声分散于乙醇中，在匀胶机上匀胶，然后将浆料旋涂在衬底上，再将器件在管式退火炉中退火处理。匀胶机的参数为3000r/min，匀胶30s；旋涂6-10遍。

14、进一步的，所述退火处理的参数为ar2气氛下400℃，退火1h。

15、进一步的，所述步骤三中，磁控溅射技术的溅射功率为30-50w，压强0.5-1.0pa，氩气流量40-50sccm。

16、本发明，所述长波红外探测器的工作原理如下：

17、2.75μm处短波红外探测工作机理为利用bi2te3材料的光电导效应，bi2te3材料的带隙0.4ev左右，探测截止波长2.75μm，当入射光子能量大于bi2te3材料禁带宽度时，材料中电导率增加，实现2.75μm处短波红外响应；

18、3.5μm处中波红外探测工作机理为利用9～10单原子层bi2te3材料和9～10单原子层bi2se3材料构成超晶格，利用超晶格形成微带，当入射光子能量大于等于超晶格间微带带隙，实现中波红外响应。

19、而长波红外响应机理则是材料本身拓扑效应和热光电耦合效应共同作用的结果。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、本发明利用溶剂热法技术制备了bi2te3六角形纳米材料，纳米材料在室温下5μm中波红外和10μm以上长波红外波段有响应，如图5所示，实现了室温下中长波红外波段探测材料结构。

22、2、采用的溶剂热法技术具有工艺简单，晶体质量高，产量大，成本低的优点。

技术特征：

1.一种室温下工作的中长波红外探测器，其特征在于：包括衬底、bi2te3纳米材料层和铬金电极，所述bi2te3纳米材料层涂覆在衬底上，铬金电极设置在bi2te3纳米材料层上。

2.根据权利要求1所述的一种室温下工作的中长波红外探测器，其特征在于：所述bi2te3纳米材料层中的bi2te3纳米材料为六角形纳米材料。

3.根据权利要求1所述的一种室温下工作的中长波红外探测器，其特征在于：所述bi2te3纳米材料层的厚度为50～20μm，bi2te3纳米材料层的边长为350μm～400μm。

4.根据权利要求1所述的一种室温下工作的中长波红外探测器，其特征在于：所述衬底为硅衬底或gaas衬底，所述硅衬底的材质为本征硅。

5.根据权利要求1所述的一种室温下工作的中长波红外探测器，其特征在于：所述铬金电极包括铬层和金层，所述铬层镀在bi2te3纳米材料层上，所述金层镀在铬层上；所述铬层的厚度为20-100nm，所述金层的厚度为150-300nm；所述铬金电极为叉指电极，叉指之间间距为150-300μm。

6.一种权利要求1-5任一权利要求所述的室温下工作的中长波红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，溶剂热工艺如下：0.5gpvp溶解于33ml乙二醇，分别加入0.5mol氧化铋和1.5mol氧化碲，再加入0.2～0.6gnaoh搅拌1～3h，最后160-200℃，18～24h溶剂热反应，洗涤离心得到碲化铋六角形纳米材料。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，旋涂工艺如下：将bi2te3六角形纳米材料超声分散于乙醇中，在匀胶机上匀胶，然后将浆料旋涂在衬底上，再将器件在管式退火炉中退火处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述退火处理的参数为ar2气氛下400℃，退火1h。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，磁控溅射技术的溅射功率为30-50w，压强0.5-1.0pa，氩气流量40-50sccm。

技术总结
本发明公开了一种室温下工作的中长波红外探测器及其制备方法，所述探测器包括衬底、Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;纳米材料层和铬金电极，衬底上旋涂Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;纳米材料层，铬金电极设置在Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;纳米材料层上。制备步骤如下：步骤一、利用溶剂热技术生长Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;六角形纳米材料；步骤二、在生长的Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;六角形纳米材料旋涂于衬底上；步骤三、利用磁控溅射技术在Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;层表面沉积铬金电极。本发明制备了室温中长波红外探测器，长波红外探测器的响应峰10μm以上，实现了室温中长波红外探测材料结构。

技术研发人员：王东博,刘思航,方铉,曹伽牧,刘东昊,王金忠,曲平
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15