一种卷曲管状光热电探测器件及其制备方法与应用

本发明涉及集成光学、微纳光学元器件，尤其是涉及一种卷曲管状光热电探测器件及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着科学技术的不断进步，光成为传递信息的重要载体。光电探测器作为光-电转换的核心，其性能将直接影响整个光电信息系统。因此，近年来相关行业领域对高性能光电探测器的需求迅速增加，提升光电探测器的性能(如灵敏度、比探测率、亚阈值摆幅、光电转换效率等)具有重要意义。

2、随着微纳加工工艺的发展，可以限制特定波长的光学微腔在基础理论研究和实际应用上如光电子学、集成光学、光通讯、光计算等领域具有重要的应用前景(nature 2003,421,925.)。在管状结构构成的光学微腔中，三维管状结构的内反射陷光效应可以有效增强光与材料的相互作用(sci.adv.2016,2,e1600027.)。研究表明基于管状三维光学微腔的相应光电探测器具有更高的灵敏度，具有更宽的响应角度范围，对各个方向的入射光的探测灵敏度一致(adv.optical mater.2019,7,1900823.)。

3、发明专利cn115172521a公开了一种卷曲管状光电探测器的制备方法，探测器管状结构光学微腔中自身的谐振模式和陷光效应，结合表面微结构增强的光场局域效应，大幅提升器件的光子调控能力，增加光吸收，提升器件对光场响应，从而得到高灵敏度的光学器件。但是，该探测器响应速度仍有待进一步提高。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种卷曲管状光热电探测器件及其制备方法与应用，提升响应速度。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种卷曲管状光热电探测器件，由光热电材料、电极、封装层共同卷曲成管状光学微腔结构。

3、优选地，所述管状光学微腔结构通过三维卷曲自组装方式获得。

4、优选地，所述管状光学微腔结构的外径为5-100μm，长度为20-2000μm。

5、优选地，所述光热电材料为碲(te)、硅(si)、黑鳞(p)、石墨烯、碲化硒(tese)碲化锡(snte)等半导体材料。

6、优选地，所述电极材料为au、ag、cr、cu、al、pd等金属材料，或ito、azo等导电氧化物电极。

7、优选地，所述封装层材料包括氮化硅(sinx)、氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)等绝缘材料。

8、一种上述卷曲管状光热电探测器件的制备方法，包括以下步骤：

9、(1)制备光热电材料、电极、封装层材料的垂直结构薄膜材料；

10、(2)将上述薄膜材料共同卷曲形成卷曲管状光热电探测器件，即为目标器件。

11、进一步优选地，通过沉积或者转移等方法，制备光热电材料、电极材料、封装层材料的垂直结构。

12、进一步优选地，垂直结构薄膜材料上光热电材料的制备方法包括但不限于物理沉积生长、化学气相沉积、液相法、转移法。

13、一种上述卷曲管状光热电探测器件的应用，将所述卷曲管状光热电探测器件用于自驱动光电检测。具体原理为：光热电材料受到小尺寸光斑入射引起的局部温度梯度驱动，材料内的载流子集聚在光斑入射处，载流子由浓度高处向浓度低处迁移。在不施加任何外电流的情况下，器件会发生自驱动的光生电压差。由此，器件能够提供光生自驱动的光电探测。

14、优选地，检测过程具体为：将卷曲管状光热电探测器件接入源表，光源入射到器件表面，同步测试其光生电压，得到光生伏特与入射光功率的对应关系。

15、进一步优选地，所述入射光源为激光，工作波长为300-2000nm。

16、进一步优选地，所述入射光源的光斑直径大小可以小于200μm，工作功率不能太大以致破坏器件。

17、光热电材料是基于光热转换和热电效应，单侧的光子被吸收之后产生热量，形成温差，驱动载流子从热端向冷端定向扩散，形成电位差。基于二维材料的发展，这种引入热载流子辅助光探测的方式在光电探测领域不仅大大提升响应速度，也在探测器偏振选择性上有所提高。结合管状微腔的上述陷光效应，光被局域在管壁内，热吸收效率提升，光热转换效率提升，因此可以大幅提高探测器件性能。此外，基于管状结构的光热电探测器件具有实现集发射、接收一体化以及高密度集成的优点，且管状结构的圆柱对称特性具有宽探测角度范围的优势。

18、本发明光热电管状探测器件，工作波长覆盖紫外到近红外波段，范围为300-2000nm。由于管状结构的陷光效应，卷曲器件相比平面器件的响应率，探测度都有所提升。管状结构的圆柱对称特性也可以扩展探测器响应角度范围。相关实验结果表明，利用本发明方法制备的光热电管状探测器件，可以充分结合并利用光热电材料和管状光学微腔的优势，实现高探测率的自驱动光电探测。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1.本发明利用光热电材料先后发生的光-热、热-电转换来实现自驱动的光电检测，可提升响应速度，还可扩展响应波段范围；

21、2.本发明将光热电材料和管状光学微腔结合起来，综合两者优势，在利用陷光效应提升了光电探测的性能和响应角度范围的同时，利用光热电材料扩展了光电探测的工作波长范围、响应率和探测度；

22、3.本发明通过光热电材料引起的局部温度梯度驱动光热电材料自发的光生载流子迁移，器件能够提供光生自驱动的光电探测；

23、4.本发明光热电材料是在同一个材料中实现光-热-电信号的一体转换，这使得本发明不会因为不同材料-材料层之间的信号转换而损失能量；

24、5.本发明光热电探测器件有很好的位置依赖性，能够进一步拓展针对入射光源入射位置的探测；

25、6.本发明制备的卷曲管状光热电探测器在室内可见光、近红外通信等需要高灵敏度、全向接收各个方向入射光的应用场景具有重要价值；

26、7.本发明制备过程简单、环保、易于操作，且兼容现有半导体工艺。

技术特征：

1.一种卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，由光热电材料、电极、封装层共同卷曲成管状光学微腔结构。

2.根据权利要求1所述的卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，所述管状光学微腔结构通过三维卷曲自组装方式获得。

3.根据权利要求1所述的卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，所述管状光学微腔结构的外径为5-100μm，长度为20-2000μm。

4.根据权利要求1所述的卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，所述光热电材料包括碲、硅、黑鳞、石墨烯、碲化硒、碲化锡。

5.根据权利要求1所述的卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，所述电极材料包括au、ag、cr、cu、al、pd、ito、azo。

6.根据权利要求1所述的卷曲管状光热电探测器件，其特征在于，所述封装层材料包括氮化硅、氧化铝、氧化铪。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的卷曲管状光热电探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种如权利要求1～6任一项所述的卷曲管状光热电探测器件的应用，其特征在于，将所述卷曲管状光热电探测器件用于自驱动光电检测。

9.根据权利要求8所述的卷曲管状光热电探测器件的应用，其特征在于，检测过程具体为：将卷曲管状光热电探测器件接入源表，光源入射到器件表面，同步测试其光生电压，得到光生伏特与入射光功率的对应关系。

10.根据权利要求9所述的卷曲管状光热电探测器件的应用，其特征在于，所述光源为激光，工作波长为300-2000nm。

技术总结
本发明涉及一种卷曲管状光热电探测器件及其制备方法与应用，由光热电材料、电极、封装层共同卷曲成管状光学微腔结构，制备方法包括以下步骤：(1)制备光热电材料、电极、封装层的垂直结构薄膜材料；(2)将上述薄膜材料共同卷曲形成卷曲管状光热电探测器件。与现有技术相比，本发明探测器件将光热电材料与光学微腔结合，通过器件管壁的全反射效应，大幅增强光热吸收效率。光热电材料的特性使得探测波段能够扩展至可见光到近红外波段，同时光热电效应可促进空穴‑电子的高效分离。该管状光热电探测器件的结构特征可以大幅提升器件的响应率和比探测度，同时扩展光电探测的全向性，在光电转换领域具有重要应用前景。

技术研发人员：黄高山,黄嘉媛,梅永丰
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15