CN108831988A - 一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。该太赫兹探测器由金属‑介质‑金属结构和衬底组成，自上而下包括金属微结构、介质腔层、金属薄膜层、匹配层和柔性衬底层。介质腔层的厚度和金属微结构的尺寸和形状可以调节太赫兹探测器的探测频率。这种太赫兹探测器无需额外的吸收材料，无需制冷，良好的绝热性能，偏振可选择等突出性能优势；且具有结构简单、易于大面积制备、波长可调、柔性可弯曲等一系列优点，在太赫兹信号探测上有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料领域，涉及一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器，尤其涉及一种可集成的、频率可调的非制冷太赫兹探测器。
技术背景
太赫兹光波是一种波长介于微波和红外波之间的电磁波，其频率约为 0.1-10THz，太赫兹光子对应的能量范围与分子和材料的低频振动能量范围相匹配。由于其特殊的电磁波谱位置使太赫兹技术可广泛应用于宽带通信、医疗诊断、环境检测、安全、军事、核技术等多个行业。属于基础研究和前沿研究的热门科学技术领域。太赫兹探测技术在太赫兹技术发展中具有重要研究价值。当前商用太赫兹探测器中的热释电探测器具有响应速度慢，稳定性差等缺点从而限制了其广泛使用，因此研究具有高响应速度，高灵敏度的热释电太赫兹探测器具有较大价值。传统的热释电探测器通常为电容器结构，并且需要外加的吸收层将光能转换为热能，热信号用来改变热释电层材料的极化状态，通过表面电荷的重新排布从而实现光源信号的探测。其中吸收层将光信号转换为热信号再传递到热释电材料层需要较长的时间，同时较大的电容面积等原因导致器件响应速度慢。
等离激元超构材料的发展为太赫兹热释电探测器的研究提供了一个新的思路。金属-介质-金属结构的超吸收体，其中热释电材料作为介质腔层，整个吸收体将吸收的光转换为热，无需传统热释电探测器中的吸收层，直接实现信号的探测。与传统探测器相比可显著提高器件的响应速度。并且通过调整介质腔层的厚度和金属微结构的形状和尺寸可实现不同频率的信号探测。
为提高热释电探测器的性能，本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器,结构为金属-介质-金属三层结构的超吸收体，其中介质腔层为热释电材料。该探测器具有高响应速度，高稳定性和高灵敏度。
发明内容
本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器，结构示意图如图 1所示。包括金属微结构1、介质腔层2、匹配层3、金属薄膜层4、柔性衬底层5。调整介质腔层的厚度和金属微结构的形状和尺寸，可实现从远红外到太赫兹波段(0.1-10THz)信号的探测。
如附图1所示的金属微结构1的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼，厚度为40nm。微结构形状为条形光栅、圆形孔、方形孔、或十字形；
如附图1所示的介质腔层2是聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯二元聚合物、聚偏氟乙烯三元聚合物、钛酸锶钡、锆钛酸铅或氧化锌薄膜。利用时域有限差分方法、边界元或有限元方法仿真设计介质腔层的厚度。
如附图1所示的匹配层3是铬、钛或镍层，厚度为5-10nm。
如附图1所示的金属薄膜层4的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼金属薄膜的一种，通常为100-150nm。
如附图1所述的柔性衬底层5是无粘性的聚酰亚胺薄膜，厚度为5-10μm。
该探测器具有结构简单，无需额外的吸收层材料，有良好的绝热性能，偏振可选择，工作频率可调等突出的性能优势；易于大面积制备、柔性可弯曲等优点，在太赫兹信号探测上有良好的应用前景。
附图说明
图1是非制冷太赫兹探测器的结构示意图。
图2是上电极为光栅的非制冷太赫兹探测器的吸收光谱图，其中图(a)
是数值模拟的吸收光谱图；图(b)是实验测试的吸收光谱图。
图3是非制冷太赫兹探测器对2.58THz频率激光的响应率图。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
实施例1：
一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备介质腔层，紫外光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、衬底清洗。将Si片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干。
2、制备聚酰亚胺薄膜。在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃， 120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为5μm。
3、蒸镀100nm金薄膜。将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀100nm金膜后将样品取出。
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂24次制备2.5μm厚。每次旋涂后用110℃前烘10分钟，全部24次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶。
5、顶层图形转移。用紫外光刻方法对AZ5214型光刻胶进行曝光，将光刻板上周期为45微米缝隙宽度为35微米的光栅图形转移到步骤4中制备的样品上。
6、蒸镀30nm金薄膜。用电子束蒸发镀膜方法在步骤5中制备的样品上蒸镀30nm金薄膜后取出。
7、样品剥离。用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层微结构的制备。
8、样品性能测试。使用太赫兹光谱仪测试样品光谱，样品在2.7THz处有最大吸收(>95％)，如图2。对样品进行极化，测试电滞回线，最后测试2.58THz 激光照射下探测器的响应信号，如图3。
实施例2：
一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备介质腔层，紫外光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、衬底清洗。将Si片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干。
2、制备聚酰亚胺薄膜。在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃， 120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为8μm。
3、蒸镀130nm金薄膜。将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀130nm金膜之后将样品取出。
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂24次制备2.5μm厚。每次旋涂后用110℃前烘10分钟，全部24次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶。
5、顶层图案转移。用紫外光刻方法对AZ5214型光刻胶进行曝光，将光刻板上周期为45微米缝隙宽度为35微米的光栅图形转移到步骤4中制备的样品上。
6、蒸镀40nm金薄膜。用电子束蒸发的方法在步骤5中制备的样品上蒸镀40nm金薄膜后取出。
7、样品剥离。用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层结构的制备。
8、样品性能测试。使用太赫兹光谱仪测试样品光谱，样品在2.7THz处有最大吸收(>97％)。对样品进行极化，测试电滞回线，最后测试2.58THz激光照射下探测器的响应信号。
实施例3：
一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备介质腔层，紫外光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、衬底清洗。将Si片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干。
2、制备聚酰亚胺薄膜。在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃， 120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为10μm。
3、蒸镀150nm金薄膜。将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀150nm金膜之后将样品取出。
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂24次制备2.5μm厚。每次旋涂后用110℃前烘10分钟，全部24次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶。
5、顶层图案转移。用紫外光刻方法对AZ5214型光刻胶进行曝光，将光刻板上周期为45微米缝隙宽度为35微米的光栅图形转移到步骤4中制备的样品上。
6、蒸镀50nm金薄膜。用电子束蒸发的方法在步骤5中制备的样品上蒸镀40nm金薄膜后取出。
7、样品剥离。用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层结构的制备。
8、样品性能测试。使用太赫兹光谱仪测试样品光谱，样品在2.7THz处有最大吸收(>94％)。对样品进行极化，测试电滞回线，最后测试2.58THz激光照射下探测器的响应信号。
实施例4：
一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发的方法在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜和匹配层金属铬，再旋涂制备介质腔层，紫外光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、衬底清洗。将Si片放入酒精中超声10分钟，去除衬底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干。
2、制备聚酰亚胺薄膜。在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃， 120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为5μm。
3、蒸镀100nm金薄膜和匹配层金属铬。将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，镀制100nm金膜后再蒸镀5nm金属铬作为匹配层，蒸镀完成后将样品取出。
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质腔层。旋涂24次制备2.5μm厚。每次旋涂后用110℃前烘10分钟，全部24次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶。
5、顶层图案转移。用紫外光刻方法对AZ5214型光刻胶进行曝光，将光刻板上周期为45微米缝隙宽度为35微米的光栅图形转移到步骤4中制备的样品上。
6、镀制30nm金薄膜。用电子束蒸发镀膜方法在步骤5制备好的样品上镀30nm金膜后取出。
7、样品剥离。用酒精浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层结构的制备。
8、样品性能测试。使用太赫兹光谱仪测试样品光谱，样品在2.7THz处有最大吸收(>95％)。对样品进行极化，测试电滞回线。测试2.58THz激光照射下探测器的响应信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器，包括金属微结构(1)、介质腔层(2)、匹配层(3)、金属薄膜层(4)和柔性衬底层(5)，其特征在于：
器件的结构为：自上而下依次是金属微结构(1)、介质腔层(2)、匹配层(3)、金属薄膜层(4)、柔性衬底层(5)；或者是金属微结构(1)、介质腔层(2)、金属薄膜层(4)、柔性衬底层(5)；金属微结构(1)兼做上电极，金属薄膜层(4)用作下电极；
所述的金属微结构(1)的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼，微结构的形状是条形光栅、圆形孔、方形孔、多边形或十字形，厚度为30-50nm；
所述的介质腔层(2)是聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯二元聚合物、聚偏氟乙烯三元聚合物、钛酸锶钡、锆钛酸铅或氧化锌薄膜，介质腔层的厚度利用时域有限差分方法、边界元或有限元方法通过仿真设计确定；
所述的匹配层(3)是铬、钛或镍层，厚度为5-10nm；
所述的金属薄膜层(4)的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼，其厚度大于辐射源向金属内入射的穿透深度，为100-150nm；
所述的柔性衬底层(5)是无粘性的聚酰亚胺薄膜，厚度为5-10μm。
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