CN103311424A - 一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。在基底上从下向上依次是微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜和金属纳米颗粒层。依次采用倒置熔融旋涂法、加热气压印法和溶液法制备锗镓碲硫卤玻璃薄膜，在薄膜表面涂覆无序金纳米颗粒，再制备薄膜微纳波导结构，本发明硫卤玻璃微纳结构探测器结构简单，对环境污染小，探测品种多，探测准确性高，制备工艺简单，成本低廉，重复性好，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
硫系玻璃具有良好的半导体导电性、红外透射光学性能、优良的非线性光学性能、对杂质的敏感性低等优点，是重要的光学材料与光电子材料，而且玻璃材料的制备工艺简单、与金属易封接、原材料便宜，因此受到广泛深入的研究。在硫系玻璃中引入卤化物后形成硫卤玻璃，可降低玻璃的本征损耗，拓宽玻璃的透光范围，覆盖整个分子指纹区域（2.5-25μm），可作为中红外传感器波导芯片。锗镓碲硫卤玻璃薄膜是一种具有较宽透射光谱范围的硫卤玻璃薄膜，同时在加热过程中不易析晶，又因为不含有砷元素，不会对环境造成二次污染，是理想的中红外传感器核心芯片材料。尤其在涂覆不规则金属纳米岛状薄膜或颗粒后，利用表面等离子体增强效应，使得粒子等离子共振诱发的局域场增强，通过波导外逝场中光波激发表面等离子体波，实现传感器对复杂环境进行实时迅速灵敏监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，方法简易，价格低廉，锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器及其制备方法。
本发明的一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，它是在基底上从下向上依次是微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜和无序金属纳米颗粒层，见图1。基底和微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜见图2
其中锗镓碲硫卤玻璃薄膜厚度优选1～10μm，波导微结构宽度优选10～50μm，深度优选1～5μm。金属纳米颗粒为金或银，基底为玻璃、石英或硅片。
该锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器的制备方法包括以下步骤：
1）将锗镓碲块体硫卤玻璃加热至500-800℃，变为熔融状态；
2）利用倒置的匀胶台，将固定在转台上的基底接触步骤1）熔融态的锗镓碲材料上，转速设定为1000-4000rpm,时间30-90s,制备成锗镓碲硫卤玻璃薄膜；
3）将直径为1-10nm的金属纳米颗粒，制备成40-100mg/ml的溶胶，采用旋涂法将金属纳米颗粒溶胶旋涂在步骤2）锗镓碲硫卤玻璃薄膜上，转速设定为1500-4000rpm,时间30-60s,制备成金属胶体薄膜；
4）将二氧化硅波导结构模板倒扣在步骤3）制备好的多层薄膜上，放入热膜气压印装置，密封，抽真空，然后将基底加热到500-800℃，使薄膜软化；
5）充入氮气，将锗镓碲硫卤玻璃薄膜和二氧化硅波导结构模板上下空间真空度差值达到102-104Pa，保持压差3-8分钟；
6）停止加热，充入氮气使薄膜和模板上下密闭空间达到大气压，取出样品。
步骤4）所用的热膜气压印装置将图3，其剖面图见图4。包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm，金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用。
使用方法，包括以下步骤：
（1）按照所需的波导结构形状、宽度和深度，制备微纳级波导结构模板A1；
（2）将步骤（1）制备的微纳级波导结构模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，将微纳级波导结构模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金属内罩上端口（A3）上，使得微纳级波导结构模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微纳级波导结构模板（A1）上方压上一固定器，盖上金属外罩上盖，将硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置分为两个独立空间；
3）通过外罩上盖上通气管（S1）与金属内罩的通气管（S2），利用机械泵同时对两个独立密闭空间抽真空，抽真空过程中保持两个空间真空度相同；对加热板通电，升温至硫系玻璃薄膜软化温度，使薄膜至熔融软化状态；
4）通过外罩上盖的通气管（S1）通气氛，使微纳级波导结构模板（A1）上部空间压强比金属内罩内腔的压强大102-104Pa，保持压差3-10分钟，完成热模气压印过程；再通过金属内罩的通气管（S2）通气氛至与微纳级波导结构模板上部空间压强一致，打开两根气管连接口，一起通气氛，直至大气压强，降温至室温后，打开金属外罩上盖，取出波导结构硫系玻璃薄膜样品。
本发明分别采用倒置熔融旋涂法和溶液旋涂法在基底上依次从下向上制备出锗镓碲玻璃薄膜层和纳米金属颗粒的局域等离子共振层，利用加热气压印法将形成波导结构的图案，得到较大带宽透射率，可探测中红外分子指纹区，价格低廉、工艺简单，可实现大面积生产的锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器。
附图说明
图1是锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器截面结构示意图；
图2是锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器侧面俯视示意图；
图3硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置结构示意图；
图4硫系玻璃薄膜微纳波导结构的热膜气压印装置的剖面示意图；
（1）基底、（2）微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜、（3）无序金属纳米颗粒层；
S1-金属外罩上盖的通气管，S2-金属内罩的通气管，A1微纳级波导结构的模板，A2-硫系玻璃薄膜，A3-金属内罩空腔上端口。
以下结合附图和具体实施方式对本实用型性作进一步说明，但本实用型性不限于以下实施例。
具体实施方式
一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，见图1，在基底上分别采用倒置熔融旋涂法和溶液旋涂法，依次从下向上制备出锗镓碲玻璃薄膜层和纳米金属颗粒的层，再利用加热气压印法制备出波导结构。
实施例1
1）将锗镓碲块体硫卤玻璃放至清洗干净的刚玉容器中，放置在加热板上，升温至500℃，待锗镓碲为熔融状态；
2）利用倒置固定的匀胶台，将固定在转台上的基底（1）接触上熔融态的锗镓碲材料上，转速设定为1000rpm,时间90s,制备成微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜（2）；
3）参照文献[Langmuir1998年14卷第17页所提供的方法制备直径为1-10nm的金纳米颗粒，再溶于甲苯，制备成40mg/ml的溶胶。
4）采用旋涂法将金属纳米颗粒溶剂旋涂在锗镓碲硫卤玻璃薄膜上，转速设定为2000rpm,时60s,制备成金属胶体薄膜。
5）将二氧化硅波导结构模板倒扣在制备好的多层薄膜上，放入热膜气压印装置样品台上，密封设备，抽真空，基底加热500℃，使薄膜软化；
6）通氮气，使锗镓碲硫卤玻璃薄膜和二氧化硅波导结构模板上下空间真空度差值达到104Pa，保持压差3分钟；
7）停止加热，充入氮气使薄膜和模板上下密闭空间达到大气压，取出样品，见图2。
实施例2
1）将锗镓碲块体硫卤玻璃放至清洗干净的刚玉容器中，放置在加热板上，升温至800℃，待锗镓碲为熔融状态；
2）利用倒置固定的匀胶台，将固定在转台上的基底接触上熔融态的锗镓碲材料上，转速设定为2000rpm,时间30s,制备成锗镓碲硫卤玻璃薄膜；
3）参照文献[Langmuir1998年14卷第17页所提供的方法制备直径为1-10nm的金纳米颗粒，再溶于甲苯，制备成80mg/ml的溶剂。
4）采用旋涂法将金属纳米颗粒溶剂旋涂在锗镓碲硫卤玻璃薄膜上，转速设定为1000rpm,时间60s,制备成金属胶体薄膜。
5）将二氧化硅波导结构模板倒扣在制备好的多层薄膜上，放入热膜气压印装置样品台上，密封设备，抽真空，基底加热800℃，使薄膜软化；
6）通氮气，使锗镓碲硫卤玻璃薄膜和二氧化硅波导结构模板上下空间真空度差值达到102Pa，保持压差5分钟；
7）停止加热，充入氮气使薄膜和模板上下密闭空间达到大气压，取出样品。
Claims (5)
1.一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，其特征在于，是在基底上从下向上依次是微纳波导结构的锗镓碲硫卤玻璃薄膜和金属纳米颗粒层。
2.按照权利要求1的一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，其特征在于，锗镓碲硫卤玻璃薄膜厚度优选1～10μm，波导微结构宽度优选10～50μm，深度优选1～5μm。
3.按照权利要求1的一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器，其特征在于，金属纳米颗粒为金或银，基底为玻璃、石英或硅片。
4.制备权利要求1-3所述的任一一种锗镓碲硫卤玻璃微纳波导结构中红外传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将锗镓碲块体硫卤玻璃加热至500-800℃，变为熔融状态；
2）利用倒置的匀胶台，将固定在转台上的基底接触步骤1）熔融态的锗镓碲材料上，转速设定为1000-4000rpm,时间30-90s,制备成锗镓碲硫卤玻璃薄膜；
3）将直径为1-10nm的金属纳米颗粒，制备成40-100mg/ml的溶胶，采用旋涂法将金属纳米颗粒溶胶旋涂在步骤2）锗镓碲硫卤玻璃薄膜上，转速设定为1500-4000rpm,时间30-60s,制备成金属胶体薄膜；
4）将二氧化硅波导结构模板倒扣在步骤3）制备好的多层薄膜上，放入热膜气压印装置，密封，抽真空，然后将基底加热到500-800℃，使薄膜软化；
5）充入氮气，将锗镓碲硫卤玻璃薄膜和二氧化硅波导结构模板上下空间真空度差值达到102-104Pa，保持压差3-8分钟；
6）停止加热，充入氮气使薄膜和模板上下密闭空间达到大气压，取出样品。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4）所用的热膜气压印装置，包括金属外罩和金属内罩，金属外罩由分别独立的外罩上盖和外罩下底座组成，外罩下底座是底面开孔的桶状结构，金属内罩在金属外罩底座的空腔内，金属内罩为上端开口、下端与外罩下底座密封连接的空腔结构，外罩下底座的开孔与金属内罩的下端口一样，外罩上盖设有通气管（S1）；金属内罩的空腔内设有加热板，加热板与金属内罩密封焊接在一起，在金属内罩的侧面设有通气管（S2），通气管（S2）位于加热板之上，金属内罩的通气管（S2）从金属内罩伸出，延伸至外罩外部，金属内罩的上端口盖有独立的具有微纳级波导结构的模板（A1），加热板与金属内罩上端口（A3）垂直距离为5mm，金属外罩和金属内罩均为圆筒状；加热板是金属管与金属内罩焊接而成的传热金属板，对硫系玻璃薄膜加热，同时还起到密封的作用。
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