CN102522438A - 一种利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外探测器领域，具体涉及一种利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，该近红外探测器从上到下依次包括高红外透过率的透明玻璃（1）、透明电极（2）、光电转换材料（3）、氧化铟锡纳米颗粒（4）及背电极（5）；入射红外辐射经过透明玻璃（1）、透明电极（2）和光电转换材料（3）后，部分红外辐射被局域在氧化铟锡纳米颗粒（4）表面，产生散射并形成表面等离子体激元传输模式，增加了入射电磁波在光电转换材料（3）中的有效传输距离。这种利用ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器具有制备工艺多样化，制作成本低，增效谐振位置可调，灵敏度高等优点。

Description

一种利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体是一种利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒增效的近红外光电探测器。

背景技术

近红外辐射主要是指由热源产生的780～3 000nm范围的电磁波，辐射源温度的变化决定了红外辐射的能量分布，温度越高红外辐射对于的波长越趋于短波，因此，人们可以利用红外辐射的探测来寻找、跟踪热源。这种应用在民用和军用上有着广阔的前景，例如人们利用近红外探测器监控火灾，在军事方面，近红外探测器可广泛应用于夜间观察、军事目标跟踪等方面，而成为现代军队不可或缺的必备设备。

在光电探测器领域，光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，目前红外探测器正在向高分辨率、高灵敏度发展。随着红外探测器技术的发展, 对其性能指标提出了更高的要求, 如精确测量红外探测器的光谱响应度及响应度均匀性等方面。因此提高光电探测器的光谱响应度是光电探测器的重要关键技术之一。

表面等离子体激元是光与金属或半导体材料表面的自由电子之间的相互作用形成的一种电磁波传输模式。这种电磁波模式可将电磁波局域在亚波长的范围内形成共振和传输，电磁波在纳米表面形成极高的光学局域效应。当入射电磁波照射到具有纳米尺度的金属纳米颗粒表面时，入射电磁波中的电场成分与纳米颗粒表面的自由电荷形成强烈地相互作用，光场增强的幅度可达                                               

-倍。这种显著的光学增强效应使得纳米颗粒在众多领域实现应用，如金属表面等离子体激元效应制备的增效太阳能电池。然而，金属材质的纳米颗粒一般只能在可见光范围或在1000纳米波长附近形成表面等离子体共振，无法实现大于1500纳米波长的表面等离子体共振效应。氧化铟锡(ITO)纳米颗粒因其较低的共振频率，而可实现长波长1000纳米到3000纳米范围内的表面等离子体共振，因此利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒的表面等离子体共振效应可提高近红外光电探测器在近红外1000纳米到3000纳米的光电探测灵敏度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种利用氧化铟锡（ITO）纳米颗粒增效的近红外光电探测器。通过利用溶胶凝胶法在光电转换材料上表面或下表面制备一层氧化铟锡(ITO)纳米颗粒，并利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒在近红外的表面等离子体共振效应，使入射电磁波的光场能量得到局域化增强，增加入射电磁波在光电转换材料上的吸收，从而提高光电转换效率。利用该增效方法可大幅提升近红外光电探测器的探测灵敏度。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，该近红外探测器从上到下依次包括高红外透过率的透明玻璃、透明电极、光电转换材料、氧化铟锡纳米颗粒及背电极；

入射红外辐射经过透明玻璃、透明电极和光电转换材料后，部分红外辐射被局域在氧化铟锡纳米颗粒表面，产生散射并形成表面等离子体激元传输模式，增加了入射电磁波在光电转换材料中的有效传输距离。

优选的，在探测器的光电转换材料与背电极或光电转换材料与透明电极之间制备有一层氧化铟锡纳米颗粒。

优选的，氧化铟锡纳米颗粒为纳米球或纳米棒或纳米碟或纳米方块的纳米结构。

优选的，透明电极的制备方法包括磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、热蒸发法及化学合成法中，透明电极的材质为高导电性的红外透明材料。

优选的，光电转换材料为Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等金属或半导体材料及其掺杂材料中的任一种。

优选的，氧化铟锡纳米颗粒是一种近红外表面等离子体增强的纳米介质材料，尺寸大小为几个纳米到数百纳米之间，氧化铟锡纳米颗粒的制备通过磁控溅射法、 激活反应蒸发法、 化学气相沉积及溶胶凝胶法中的任一种制备。

优选的，背电极由金属或导电半导体薄膜构成。

优选的，金属或导电半导体薄膜包括铝、金、银、铜、不锈钢、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡等材料。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、这种利用ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器，可大幅增加入射电磁波在光电转换材料中的有效传输距离，进而极大地增加光电材料对入射电磁波的利用率，提高近红外光电探测器整体的光电转换效率，进而显著提升近红外光电探测器的灵敏度。

2、这种利用ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器，可以通过调节ITO纳米颗粒大小和In、Sn含量比例来调节表面等离子体共振峰的位置，可轻易地调制到需要增效的波长位置。

3、这种利用ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器，具有制备方法多样化，适用于各类光电转换材料，同时能一定程度地减小光电材料的用量，减低近红外光电探测器的生产成本，可获得可观的经济效益。

附图说明

图1是一种利用ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器的结构示意图；

图2是ITO纳米颗粒处于光伏层与背电极之间的截面结构示意图；

图3是ITO纳米颗粒处于光伏层与透明电极之间的截面结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明所提出的一种利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒增效的近红外光电探测器，从结构上看，光电探测器制作过程中，在光电探测器的光电转换材料与背电极或透明电极之间制备出一层ITO纳米颗粒。ITO纳米颗粒形状包括纳米球，纳米棒、纳米碟、纳米方块等各种纳米结构。纳米颗粒粒径大小范围为数纳米到几百纳米。当近红外光电探测器工作时，入射电磁波经过透明玻璃、透明电极和光伏层后，被局域在ITO纳米颗粒表面，产生强烈散射并形成横向传输的表面等离子体激元模式，因此大幅增加了入电磁波在光电材料中的有效传输距离，从而提高光电材料对入射电磁波的吸收率，增加光电探测器的光电转换效率，提高探测器的灵敏度。

参见图1，本发明提供的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器从上到下依次包括高红外透过率的透明玻璃1、透明电极2、光电转换材料3、氧化铟锡纳米颗粒4及背电极5；

入射红外辐射经过透明玻璃1、透明电极2和光电转换材料3后，部分红外辐射被局域在氧化铟锡纳米颗粒4表面，产生散射并形成表面等离子体激元传输模式，增加了入射电磁波在光电转换材料3中的有效传输距离。

在探测器的光电转换材料3与背电极5或光电转换材料3与透明电极2之间制备有一层氧化铟锡纳米颗粒4。

氧化铟锡纳米颗粒4为纳米球或纳米棒或纳米碟或纳米方块的纳米结构。

透明电极2的制备方法包括磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、热蒸发法及化学合成法中，透明电极2的材质为高导电性的红外透明材料。

光电转换材料3为Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等金属或半导体材料及其掺杂材料中的任一种。

氧化铟锡纳米颗粒4是一种近红外表面等离子体增强的纳米介质材料，尺寸大小为几个纳米到数百纳米之间，氧化铟锡纳米颗粒4的制备通过磁控溅射法、 激活反应蒸发法、 化学气相沉积及溶胶凝胶法中的任一种制备。

背电极5由金属或导电半导体薄膜构成。

金属或导电半导体薄膜包括铝、金、银、铜、不锈钢、掺铝氧化锌、掺氟氧化锡等材料。

本发明所提出的一种利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其中ITO纳米颗粒的制备方式可以有多种物理化学方法，主要包括磁控溅射法、 激活反应蒸发法、 化学气相沉积及溶胶凝胶法等制备方法。对于溶胶凝胶法，ITO纳米颗粒的表面等离子体共振峰位置可以通过先驱溶液中In和Sn的含量比来调配ITO纳米颗粒的谐振峰位置，从而可以实现近红外探测器增强峰位置可调的特性。

本发明所提出的一种利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒增效的近红外光电探测器，是基于光伏转换原理的光电探测器，探测器的光电转换材料包括Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等金属或半导体材料及其掺杂材料。制作方法包括磁控溅射、分子束外延、化学气相沉积、高温蒸镀、高温掺杂等制备方法。

本发明所提出的一种利用氧化铟锡(ITO)纳米颗粒增效的近红外光电探测器，从结构上看如图1所示，主要包括透明玻璃1、透明电极2、光伏材料3、ITO纳米颗粒4及背电极5构成。透明电极2主要包括掺铝氧化锌或掺氟氧化锡等材料，一般可以通过磁控溅射法、化学气相沉积法（CVD）、溶胶凝胶法、热蒸发法及化学合成法等各种方法在透明玻璃1上制备，厚度为数纳米到数百纳米。透明电极2完成之后，可通过两种顺序完成ITO纳米颗粒4和光电转换材料3的制备：

i）            先制备光电转换材料3再制备ITO纳米颗粒4（如图2所示）；

ii）        先制备纳米颗粒4再制备光电转换材料3（如图3所示）。光电转换材料主要可以通过磁控溅射、分子束外延、化学气相沉积、高温蒸镀、高温掺杂等制备方法。材料包括各类金属或半导体及其掺杂材料，如Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等，厚度一般为几十纳米到数毫米。制备ITO纳米颗粒主要可以通过磁控溅射法、 激活反应蒸发法、 化学气相沉积及溶胶凝胶法等多种方法制备。纳米粒径大小从数纳米到数百纳米不等。最后通过高温蒸镀、磁控溅射等制备工艺制备出一层金属或金属氧化物导电电极5，材料可为铝、金、银、铜、不锈钢、掺铝氧化锌、掺氟氧化锡等金属或金属氧化物材料，厚度不限，以导电性能佳为宜。通过这一系列的制备方法，即可完成这种ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器的制备。

本发明所涉及到的ITO增效方法具体实现如下：

当热源辐射的电磁波入射到ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器上时，入射电磁波穿过透明玻璃1和透明电极2，与ITO纳米颗粒4发生强烈的光学相互作用，电磁波被局域在ITO纳米颗粒附近区域，产生强烈的散射作用，并形成表面等离子体模式。这种强烈的局域化增强的效果，可使ITO纳米附近的电场强度提高到入射电磁场场强大小的数百倍。通过这种作用即可以增加光电转换材料3对入射电磁波的吸收率，增加近红外光电探测器的灵敏度，同时还可以减少近红外光电探测器中光电转换材料的厚度，降低其生产成本。

在具体的实施方式和操作过程中，根据不同的光电转换材料制备的近红外光电探测器而有所不同。以下所有实施例都是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

采用溶胶凝胶法制备ITO纳米颗粒

首先在稀硝酸中溶解一定量的金属铟并通过蒸发结晶制备出五水硝酸铟晶体，然后称量一定量的五水硝酸铟放入三口烧瓶中，加入一定量的乙酰丙酮，同时加入少许冰醋酸最为溶胶稳定剂，边搅拌边加热数分钟后再将乙醇溶液均匀混合上述溶液，并再次搅拌数分钟可得到ITO稳定溶胶，待溶胶制备好后旋涂需要制备的透明导电玻璃上，加热可得ITO纳米颗粒4。

实施例2：

制备ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器

在透明玻璃1上通过磁控溅射制备一层掺铝氧化锌作为透明电极2，厚度为10-50纳米。通过旋涂法在透明电极上旋涂一层溶胶凝胶法制备的ITO纳米颗粒4，颗粒大小为数纳米到数百纳米，制备完ITO纳米颗粒4后，通过化学气相沉积的方法在附有ITO纳米颗粒4的透明电极2上分别制备P型和N型的InAs半导体材料作为光电转换材料3，最后在InAs半导体材料上通过真空高温蒸镀的方法制备一层数微米的铝膜作为背电极5，从透明电极2和背电极5引出信号接线，即完成了ITO纳米颗粒增效的近红外光电探测器的制备。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，该近红外探测器从上到下依次包括高红外透过率的透明玻璃（1）、透明电极（2）、光电转换材料（3）、氧化铟锡纳米颗粒（4）及背电极（5）；

入射红外辐射经过透明玻璃（1）、透明电极（2）和光电转换材料（3）后，部分红外辐射被局域在氧化铟锡纳米颗粒（4）表面，产生散射并形成表面等离子体激元传输模式，增加了入射电磁波在光电转换材料（3）中的有效传输距离。

2. 根据权利要求1所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，在探测器的光电转换材料（3）与背电极（5）或光电转换材料（3）与透明电极（2）之间制备有一层氧化铟锡纳米颗粒（4）。

3. 根据权利要求1或2所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，氧化铟锡纳米颗粒（4）为纳米球或纳米棒或纳米碟或纳米方块的纳米结构。

4. 根据权利要求1或2所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，透明电极（2）的制备方法包括磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、热蒸发法及化学合成法中，透明电极（2）的材质为高导电性的红外透明材料。

5. 根据权利要求1或2所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，光电转换材料（3）为Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等金属或半导体材料及其掺杂材料中的任一种。

6. 根据权利要求1或2所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，氧化铟锡纳米颗粒（4）是一种近红外表面等离子体增强的纳米介质材料，尺寸大小为几个纳米到数百纳米之间，氧化铟锡纳米颗粒（4）的制备通过磁控溅射法、 激活反应蒸发法、 化学气相沉积及溶胶凝胶法中的任一种制备。

7. 根据权利要求1或2所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，背电极（5）由金属或导电半导体薄膜构成。

8. 根据权利要求7所述的利用氧化铟锡纳米颗粒增效的近红外光电探测器，其特征在于，金属或导电半导体薄膜包括铝、金、银、铜、不锈钢、掺铝氧化锌或掺氟氧化锡。

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