CN107170849B - 一种条型超表面结构偏振相关窄带探测器及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器及其制备方法，包括如下步骤：向玻璃板上生长一层硅；旋涂光刻胶；转移条形阵列结构进行显影处理；去胶处理；旋涂量子点；通过电子束蒸发设备蒸镀一层金。本发明利用条形阵列结构对短波红外特定波长的谐振作用，实现对特定波长光的全吸收，通过调节条形阵列结构的几何结构参数来控制光学吸收，实现了特定波长可调，实现可见光到红外光的吸收，且具有偏振相关性，进而胶体量子点材料制成探测器。该制备方法简易，响应迅速，可操作性强，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于偏振相关窄带探测器领域，具体涉及一种条型超表面结构偏振相关窄带探测器。
背景技术
目前红外探测技术的发展方向主要体现在高分辨探测、多光谱探测、红外偏振探测等方面。而为了实现多探测技术的集成，完成环境中红外线高效的探测、利用和处理，需要合适的红外吸收体材料，该材料需要有优良的吸收性能与强的可操作性，超表面正是满足此需求的具有潜力的方案。
超表面是人工制造的具有亚波长量级尺寸的周期单元结构，其周期长度一般小于入射波长，它与电磁波互相作用时将在金属表面发生等离子体谐振效应，吸收峰通常出现在谐振频率附近，一般可以通过调整超表面的几何结构参数与材料性质对吸收峰进行调控，其高度的人工可操作性与广泛的应用前景受到各国研究人员的关注。因此，可以通过使用此种超表面结构实现像元层面上多功能、高性能的红外探测器。近年许多研究人员提出了不同结构的红外超表面吸收体进，但在短波红外区域的窄带吸波体进而制成探测器的研究不是很多，或者是这些结构具有吸收效率不高，吸收带较宽，制备工艺困难等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处提供了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，目的在于在对可见光到近红外光特定波长窄带高效的吸收作用，并具有偏振相关特性，且简化红外探测器的制备流程。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，包括金背板、正负金电极、胶体量子点、周期性条形结构、硅以及二氧化硅；正负金电极位于金背板两侧且两者均位于胶体量子点下表面，胶体量子点涂布于周期性条形结构表层，且涂布于硅下表面各个周期性条形结构之间间隔的部分，周期性条形结构并排位于硅下表面，二氧化硅位于硅上表面。
优选地，所述周期性条形结构的材料为硅。
优选地，所述的胶体量子点厚度为100-200nm。
优选地，所述硅厚度为100-200nm。
优选地，所述周期性条形结构厚度为50-100nm。
优选地，所述每个单元结构的周期宽度为1100-2500nm。
优选地，所述占空比为0.3-0.8。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取二氧化硅衬底，使用化学气相沉积设备在上方生长一层硅；
(2)在步骤(1)所得的样品表面旋涂光刻胶；
(3)将设计好的条型结构版图通过电子束曝光设备对步骤(2)所得的样片光刻胶面曝光，形成带有图案的光刻胶层；
(4)对步骤(3)所得的曝光后的样片进行显影处理，得到具有周期性条形结构的光刻胶层；
(5)对暴露出来的、未被光刻胶覆盖的硅进行刻蚀，以形成周期性条形结构；
(6)利用显影液对步骤(5)中刻蚀好的样品进行去胶处理，得到具有周期性条形结构的硅阵列；
(7)对步骤(6)中所得的样品表面旋涂胶体量子点；
(8)在步骤(7)得到的胶体量子点表面盖上掩膜版，并通过电子束蒸发设备镀一层金；
(9)去除掩膜版，得到探测器的电极与金背板，整个探测器制成。
优选地，通过调整胶体量子点厚度、硅层厚度、周期性条形结构厚度、结构单元周期，每一个条形结构的占空比可实现不同波段的吸收。
优选的，胶体量子点厚度100nm，硅层厚度100nm，周期性条形结构厚度65nm，单元结构的周期宽度1540nm时，占空比0.5可实现在1550nm处的吸收；
优选的，胶体量子点厚度100nm，硅层厚度100nm，周期性条形结构厚度50nm，单元结构的周期宽度1100nm时，占空比0.3可实现在1247nm处的吸收；
优选的，胶体量子点厚度200nm，硅层厚度200nm，周期性条形结构厚度100nm，单元结构的周期宽度2500nm时，占空比0.8，可实现在1949nm 处的吸收。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的应用,可应用于光纤通信、光学成像、气体传感、光谱分析。
本发明将可以调控波长，偏振态等电磁参量的超表面结构应用于红外探测领域，并与新型探测材料胶体量子点相结合，形成了集成化，功能一体化的新型红外探测器。
一方面本探测器具有窄带滤波特性，可在短波红外处用于替代滤波片，便于集成化应用。另一方面，本探测器探测红外光具有偏振相关性，对具有垂直与平行于光栅的电场矢量光波有不同吸收特性，即可以探测不同偏振方向的光信号。
同时，胶体量子点是近年来兴起的一种探测材料，本探测器使用近红外PbS量子点，PbS量子点的玻尔半径较大，容易制备出具有显著量子效应的纳米颗粒，具有非线性光学性能，合适的禁带宽度，电子能带跨越 900-1600nm的红外光谱区域，利用量子限域效应可以实现对不同近红外波段光进行探测。与此同时胶体量子点具有溶液法制备，器件兼容性好，灵敏度高等优势，与本专利设计的超表面结合可以提高探测器的探测能力。
超表面近年来多应用于微波领域，将超表面结构应用于近红外波段，超表面的结构尺寸到达微米甚至纳米量级，工艺难以达到，少有人应用于实际。但随着电子束曝光设备等的引入，超表面的尺寸可以越做越小，为超表面应用于近红外波段提供了契机。本发明首先将超表面结构应用于近红外探测，在制备方法中使用电子束曝光设备通过选择曝光剂量，曝光精度，曝光电流实现周期条形结构的图案和尺寸的设计。在制备方法中使用 ICP-RIE刻蚀设备控制刻蚀时间，刻蚀时间越长，刻蚀深度便越深，实现周期性条形结构，最终实现红外探测器的发明，本发明制备方法可以精确地实现条形周期结构超表面的设计。虽然由多层介质膜构成的干涉型吸收体同样可以实现对特定波长的吸收，进而制成功能类似的探测器。本探测器跨过了多层介质膜的制备方法的局限，对薄膜制备工艺和厚度控制要求很严格，直接实现对近红外光和可见光特定波长的探测，制备方法简单，可操作性强。
附图说明
图1是基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器整体结构图；
图2是基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器单元结构正视图；
图3是基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器单元结构的三维图；
图4是电子束曝光工艺版图示意图，其中a为曝光部分，b为非曝光部分；
图5是本发明中实施例1的光谱吸收率\光电响应率图；
图6是本发明中实施例2的光谱吸收率\光电响应率图；
图7是本发明中实施例3的光谱吸收率\光电响应率图；
图8是本发明中实施例4的光谱吸收率\光电响应率图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-金背板、2-正负金电极、3-胶体量子点、4-周期性条形结构、5-硅、6- 二氧化硅。说明：本探测器探测区域为金背板正上方区域，因此结构单元图中只显示金背板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括金背板1、正负金电极2、胶体量子点3、周期性条形结构4、硅5以及二氧化硅6；正负金电极2位于金背板1两侧且两者均位于胶体量子点3下表面，胶体量子点3涂布于周期性条形结构4 表层，且涂布于硅5下表面各个周期性条形结构4之间间隔的部分，周期性条形结构4并排位于硅5下表面，二氧化硅6位于硅5上表面。以上周期性条形结构厚度为65nm，单元结构宽度为1540nm，占空比为0.5，金背板以及正负电极厚度为100nm；所述胶体量子点，厚度为100nm；所述硅介质层，厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图5可知，正入射光电场方向与光栅垂直(TE波)，该结构的吸收峰值波长位于1550nm处。
实施例2：
一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括金背板1、正负金电极2(用于探测电压\ 电流信号)、胶体量子点3、周期性条形结构4、硅5以及二氧化硅6；正负金电极2位于金背板1两侧且两者均位于胶体量子点3下表面，胶体量子点3涂布于周期性条形结构4表层，且涂布于硅5下表面各个周期性条形结构4之间间隔的部分，周期性条形结构4并排位于硅5下表面，二氧化硅6位于硅5上表面。以上周期性条形结构厚度为65nm，单元结构宽度为1540nm，占空比为0.5，金背板以及正负电极厚度为100nm；所述胶体量子点，厚度为100nm；所述硅介质层，厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图6可知，正入射光电场方向与光栅平行 (TM波)，该结构的吸收峰值波长位于1278nm处，可以说明本结构可以进行偏振光探测。
实施例3：
一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括金背板1、正负金电极2、胶体量子点3、周期性条形结构4、硅5以及二氧化硅6；正负金电极2位于金背板1两侧且两者均位于胶体量子点3下表面，胶体量子点3涂布于周期性条形结构4 表层，且涂布于硅5下表面各个周期性条形结构4之间间隔的部分，周期性条形结构4并排位于硅5下表面，二氧化硅6位于硅5上表面。以上周期性条形结构厚度为50nm，单元结构宽度为1100nm，占空比为0.3，金背板以及正负电极厚度为100nm；所述胶体量子点，厚度为100nm；所述硅介质层，厚度为100nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图7可知，正入射光电场方向与光栅垂直(TE波)，该结构的吸收峰值波长位于1247nm处。
实施例4：
一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，图1为本发明探测器整体结构图，包括金背板1、正负金电极2、胶体量子点3、周期性条形结构4、硅5以及二氧化硅6；正负金电极2位于金背板1两侧且两者均位于胶体量子点3下表面，胶体量子点3涂布于周期性条形结构4 表层，且涂布于硅5下表面各个周期性条形结构4之间间隔的部分，周期性条形结构4并排位于硅5下表面，二氧化硅6位于硅5上表面。以上周期性条形结构厚度为100nm，单元结构宽度为2500nm，占空比为0.8，金背板以及正负电极厚度为100nm；所述胶体量子点，厚度为200nm；所述硅介质层，厚度为200nm。通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，通过数值模拟，得到该结构在红外波段的吸收谱，由图8可知，正入射光电场方向与光栅垂直(TE波)，该结构的吸收峰值波长位于1939nm处。
实施例5：
本发明提出的这种一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器制作方法包括如下步骤：
首先，选取二氧化硅衬底4，本实施中选取普通商用二氧化硅片。第一步用丙酮溶液超声波清洁3分钟；第二步用无水乙醇溶液超声波清洁3分钟；最后在去离子水中用超声波清洁2分钟，将表面清洗干净以便于后续生长。接着，用磁控溅射设备或化学气相沉积设备在洁净的衬底表面生长 100nm-200nm厚的硅。设计如图4阵列结构图案，并制成版图，先在硅上均匀涂抹一层曝光胶，涂抹厚度为100nm-400nm。使用电子束曝光设备通过选择曝光剂量250uc-450uc，曝光精度0.001BSS-0.01BSS，曝光电流 100pA-500pA，实现周期条形结构的图案和尺寸的设计。通过化学显影方式，对已曝光的胶进行显影，然后使用ICP-RIE刻蚀设备控制刻蚀时间7s-15s 刻蚀50-100nm硅，通过化学方法(显影液)去掉曝光胶，此时样片硅表面形成条型结构阵列。使用匀胶机旋涂100nm-200nm厚度的胶体量子点。接着在所得胶体量子点表面覆盖掩膜版，并用电子束蒸镀膜机在量子点上方蒸镀100nm-200nm厚的金。去除掩膜版，使长金过程中金背板与电极断开，得到探测器的分立金电极和金背板。
综上所述，本发明是一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器及其制备方法，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于，包括金背板(1)、正负金电极(2)、胶体量子点(3)、周期性条形结构(4)、硅(5)以及二氧化硅(6)；正负金电极(2)位于金背板(1)两侧且两者均位于胶体量子点(3)下表面，胶体量子点(3)涂布于周期性条形结构(4)表层，且涂布于硅(5)下表面各个周期性条形结构(4)之间间隔的部分，周期性条形结构(4)并排位于硅(5)下表面，二氧化硅(6)位于硅(5)上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：所述的胶体量子点(3)厚度为100-200nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：所述周期性条形结构(4)材质为硅。
4.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：所述周期性条形结构(4)厚度为50-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：周期性条形结构(4)中每一个条形结构与左右两边间隙宽度的一半构成一个单元结构的周期为1100-2500nm。
6.根据权利要求5所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：周期性条形结构(4)中每一个条形结构宽度与一个单元结构的周期的比例简称占空比为0.3-0.8。
7.根据权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于：所述硅(5)的厚度为100-200nm。
8.如权利要求1所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器，其特征在于，应用于光纤通信、光学成像、气体传感或光谱分析。
9.根据权利要求1-7任一所述的基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取二氧化硅衬底，使用化学气相沉积设备在上方生长一层硅；
(2)在步骤(1)所得的样品表面旋涂光刻胶；
(3)将设计好的条型结构版图通过电子束曝光设备对步骤(2)所得的样片光刻胶面曝光，形成带有图案的光刻胶层；
(4)对步骤(3)所得的曝光后的样片进行显影处理，得到周期性条形结构的光刻胶层；
(5)对步骤(4)所得的样片进行刻蚀工艺，以形成周期性条形结构；
(6)利用显影液对步骤(5)中刻蚀好的样品进行去胶处理，得到具周期性条形结构的硅阵列；
(7)对步骤(6)中所得的样品表面旋涂胶体量子点；
(8)在步骤(7)得到的胶体量子点表面盖上掩膜版，并通过电子束蒸发设备镀一层金；
(9)去除掩膜版，得到探测器的电极与金背板，整个探测器制成。
10.如权利要求9所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，其特征在于，通过调整胶体量子点厚度、硅层厚度、周期性条形结构厚度、结构单元周期，每一个条形结构的占空比可实现不同波段的吸收。
11.如权利要求10所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，其特征在于，胶体量子点厚度100nm，硅层厚度100nm，周期性条形结构厚度65nm，单元结构的周期宽度1540nm时，占空比0.5可实现在1550nm处的吸收。
12.如权利要求10所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，其特征在于，胶体量子点厚度100nm，硅层厚度100nm，周期性条形结构厚度50nm，单元结构的周期宽度1100nm时，占空比0.3可实现在1247nm处的吸收。
13.如权利要求10所述的一种基于胶体量子点的条型超表面结构偏振相关窄带探测器的制备方法，其特征在于，胶体量子点厚度200nm，硅层厚度200nm，周期性条形结构厚度100nm，单元结构的周期宽度2500nm时，占空比0.8，可实现在1949nm处的吸收。
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