CN106684199A - 金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构。金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构，包括Si基底，Si基底上生长有一层二氧化硅，二氧化硅层上设有一层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上两侧分别都设有方块状金属Au块，两方块状金属Au块之间的石墨烯薄膜设有一层TiO，TiO层上均布有球状金属Ag，球状金属Ag上设有一层石墨烯薄膜覆盖层，球状金属Ag之间具有纳米级间隙，解决了石墨烯制作的光电探测器由于光生载流子较少使得灵敏度受限、传输速度较慢等问题。
Description
技术领域
本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为一种金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构。
背景技术
随着海陆空一体化战略的迅速发展，“高超”武器的突破性进展，使得目标运动速度大大加快，大量航空航海装备对跟踪系统的跟踪动态性能、快速红外成像识别技术提出了更高的要求。在越来越激烈的海洋争端中，实现对特定光信号的探测与响应、快速成像显示至关重要，快速响应光电探测器是实现舰船预警跟踪、轨迹预测、近程监视、舰船识别、海岸成像、夜间导航、精确定位的关键。针对海上复杂的气候条件，中波红外（3-5µm）和长波红外（8-12µm）波段的波被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收最少，但是，各自波段红外探测的性能都有一定的缺陷。所以，必须实现对中波红外和长波红外协作探测的快速探测，以适应瞬息万变的海上作战环境。
石墨烯十分坚硬并且可以导电，甚至还能够吸收紫外、THz波段的光。目前已经证明石墨烯对光具有极度敏感的热载体反应，这使得石墨烯在理论上具有很大的潜力成为照相机的传感器、光伏电池甚至光线通讯工具。石墨烯-硅异质结已经被证明具有独特的结构与优异的光电性能，以及优异的光伏特性，可以被应用在光电探测领域。石墨烯具有优异的光学性能，经加工还可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性，是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料。以往的研究中，石墨烯-硅异质结由于存在较高的暗电流，从而影响了其作为光电探测器的探测能力。光电信号的快速探测与响应对于瞬息万变的现代化战场指令的传达和实施至关重要，信号的噪声直接影响了指令信号的准确发出。因此，急需采用新材料、新理论、新技术来开发制造新一代的惯性导航器件的高精度部件。
发明内容
石墨烯优越的电子和光学性质使得石墨烯在光子学和光电学方面具有很大的潜力，包括超快光电探测器、光学调节器、等离子设备和超快激光等。但是石墨烯较弱的光吸收能力（单原子层光吸收率为2.3%）是阻碍石墨烯光探测器响应率提高的主要原因之一。针对目前采用石墨烯制作的光电探测器由于光生载流子较少使得灵敏度受限、传输速度较慢等问题，本发明提出了基于表面生长一层二氧化硅的硅基片的金属微纳超结构表面等离激元超快光电探测结构。
本发明是采用如下的技术方案实现的：金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构，包括Si基底，Si基底上生长有一层二氧化硅，二氧化硅层上设有一层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上两侧分别都设有方块状金属Au块，两方块状金属Au块之间的石墨烯薄膜设有一层TiO，TiO层上均布有球状金属Ag，球状金属Ag上设有一层石墨烯薄膜覆盖层，球状金属Ag之间具有纳米级间隙。
本发明提出的金属微纳超结构表面等离激元超快光电探测结构，一方面，贵金属超材料（球状金属Ag）结构的表面等离激元共振（SPR）效应能够有效增强石墨烯薄膜的吸光性能，使得石墨烯薄膜产生有效应的光生载流子。另一方面，贵金属超结构的SPR效应能够进一步增强石墨烯薄膜光生载流子的产生。这两方面导致光生载流子增加的机理使得该光电探测器能够实现高灵敏的探测性能。同时，由于石墨烯光生载流子的寿命约1ps，也就是石墨烯产生的光生载流子在其寿命之内得到有效收集才能形成有效的光电流。本项目中夹心层的贵金属超材料结构具有的纳米级间隙使得光生载流子在电极间的传输时间压缩到亚皮秒量级，故贵金属超材料结构的加入能够使得石墨烯产生的光生载流子在其寿命内得到有效的收集，其光响应时间达到纳秒量级，从而实现了超快速的光电探测。
因此，本发明开展金属微纳超结构表面等离激元超快光电探测结构的研究工作具有非常重要的研究意义和潜在应用价值。对面向舰载高速光电跟踪识别与成像技术，实现阵列化石墨烯光电探测器件的制备、兼容性封装、舰载测试等一系列应用技术以及航空航海“高超”装备武器的光电跟踪识别与红外快速成像，实现响应和指令的快速反应和采取快速的应对措施都具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1金属微纳超结构表面等离激元超快光电探测结构示意图。
图2金属微纳超结构表面等离激元超快光电探测结构原理示意图。
图中：1-Si基底，2-二氧化硅，3-石墨烯薄膜，4-TiO，5-Au块，6-球状金属Ag，7-石墨烯薄膜覆盖层。
具体实施方式
金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构，包括Si基底1，Si基底1上生长有一层二氧化硅2，二氧化硅2层上设有一层石墨烯薄膜3，石墨烯薄膜3上两侧分别都设有方块状金属Au块5，两方块状金属Au块5之间的石墨烯薄膜3设有一层TiO4，TiO4层上均布有球状金属Ag6，球状金属Ag6上设有一层石墨烯薄膜覆盖层7。
Claims (1)
1.金属微纳超结构表面等离激元超快探测结构，其特征在于包括Si基底（1），Si基底（1）上生长有一层二氧化硅（2），二氧化硅（2）层上设有一层石墨烯薄膜（3），石墨烯薄膜（3）上两侧分别都设有方块状金属Au块（5），两方块状金属Au块（5）之间的石墨烯薄膜（3）设有一层TiO（4），TiO（4）层上均布有球状金属Ag（6），球状金属Ag（6）上设有一层石墨烯薄膜覆盖层（7）。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20180403 Termination date: 20190213 |
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