CN110473956A - 一种基于光热电效应的光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光热电效应的光探测器，该探测器包括基底、热电材料层、电极，热电材料层和电极设置在基底上，热电材料层的两端连接电极，在热电材料层的任一端的上面设置有相变材料层，相变材料层上还设置微结构层。微结构层用以吸收光，并将光转化为热。这些热通过相变材料层传导到热电材料层。因为相变材料层的热传导性能或者吸收光的性能严重地依赖于温度，所以在热电材料层两端测得的电势差更严重地依赖于微结构层所吸收的光。这种级联放大的效果提高了光探测的灵敏度。

Description

一种基于光热电效应的光探测器
技术领域
本发明涉及光探测领域，具体涉及一种基于光热电效应的光探测器。
背景技术
热电效应是指当半导体处于不同的温度时，半导体中的载流子随着温度梯度由高温区向低温区移动，从而产生电荷积累和电势差。物质吸收光后，将能量转化为热；可以再通过热电材料将热信号转化为电信号，实现光探测。但是传统检测方法灵敏度低。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于光热电效应的光探测器，该探测器包括基底、热电材料层、电极，热电材料层和电极设置在基底上，热电材料层的两端连接电极，在热电材料层的任一端的上面设置有相变材料层，相变材料层上还设置微结构层。
更进一步地，热电材料层的材料为Bi2Te3或SbTe3。
更进一步地，相变材料层的材料为温度变化导致热传导系数变化的材料。
更进一步地，相变材料层的材料为温度变化导致吸收光性能变化的材料。
更进一步地，相变材料层的材料为二氧化钒。
更进一步地，微结构层由贵金属纳米颗粒构成。
更进一步地，微结构层为带有孔洞的贵金属薄膜。
更进一步地，贵金属纳米颗粒为球形、方形或矩形。
更进一步地，贵金属纳米颗粒嵌入到相变材料层中。
更进一步地，在贵金属纳米颗粒上还覆盖石墨烯薄膜。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于光热电效应的光探测器，在热电材料层上引入相变材料层，相变材料层上设置微结构层。微结构层用以吸收光，并将光转化为热。这些热通过相变材料层传导到热电材料层。因为相变材料层的热传导性能或者吸收光的性能严重地依赖于温度，所以在热电材料层两端测得的电势差更严重地依赖于微结构层所吸收的光。这种级联放大的效果提高了光探测的灵敏度。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于光热电效应的温度探测器的示意图。
图2是具有矩形孔洞的贵金属薄膜的示意图。
图3是具有二聚体孔洞的贵金属薄膜的示意图。
图中：1、基底；2、热电材料层；3、电极；4、相变材料层；5、微结构层；6、孔洞。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种如图1所示的基于光热电效应的光探测器，包括基底1、热电材料层2、电极3，热电材料层2和电极3设置在基底1上，热电材料层2的两端连接电极3，在热电材料层2的任一端的上面设置有相变材料层4，相变材料层4上还设置微结构层5。热电材料层4的材料为Bi2Te3或SbTe3。在进行光探测时，光照射到微结构层5上，微结构层5吸收光并转化为热，热通过相变材料层4传导到热电材料层2的一端。由于热电材料层2的两端具有不同的温度，所以在热电材料层2两端的电极3上就出现不同的电势差。测量该电势差，即可实现光信号的测量。在实际应用中，相变材料层4的材料为温度变化导致热传导系数变化的材料。例如，当微结构层5的温度升高时，相变材料层4的热传导系数也升高，这导致更多的热量传导到热电材料层2，从而进一步提升了两电极3间的电势差。另外，相变材料层4也暴露在光的照射之下，也就是光可以照射到相变材料层4上，当微结构层5的温度上升时，相变材料层4的吸热系数升高，这也加剧了热电材料层2两端的温度差，从而提高了两电极3间的电势差。相变材料层4的材料可以为以上两种材料。这两种材料都起到了提高热电材料层2两端温度差的效果，这种级联放大的效果提高了光探测的灵敏度。特别地，相变材料层4的材料可以为二氧化钒。当温度变化时，二氧化钒发生相变，热传导系数发生急剧变化。
在本实施例中，微结构层5由贵金属纳米颗粒构成。贵金属纳米颗粒为球形。在实际应用中，贵金属纳米颗粒还可以为方形或矩形。可以设计贵金属纳米颗粒的尺寸，以实现贵金属纳米颗粒中的局域表面等离激元共振波长与所探测光的波长相近，从而实现共振的效果，以增强吸收。此外，贵金属纳米颗粒的尺寸还可以不同，以在多波长实现共振。贵金属纳米颗粒还可以由不同形状的贵金属纳米颗粒构成，排布方式也非平面排布。这样一来，形成不同的耦合模式，以增强吸收效果。例如，微结构层5由两层构成，底层为尺寸较大的矩形或方形贵金属颗粒，顶层为尺寸较小的球形贵金属颗粒，这样一来，球形贵金属颗粒与矩形或方形贵金属颗粒在竖直方向上耦合，形成竖直方向的局域表面等离激元共振，底层较大尺寸的矩形或方形贵金属颗粒上会产生大量的热，这有利于光的吸收和提高器件的检测灵敏度。另一方面，相邻的球形贵金属颗粒间也会产生电磁耦合，从而形成强吸收。以上这两种效果，都有利于提高对光的吸收效率，提高器件检测的灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，微结构层5为带有孔洞6的贵金属薄膜。图2给出了孔洞6为矩形的贵金属薄膜，矩形的孔洞6有利于探测不同偏振入射光对应的电动势。此外，孔洞6还可以为圆形、方形等其他形状。排布周期可以为方形周期，也可以为长方形周期。长方形周期对应于各向异性结构，能够识别出入射光的偏振方向。另外，如图3所示，贵金属薄膜上的孔洞6还可以为二聚体。两孔洞6的尺寸不同、并且非对称性排布，形成手性结构，这样一来，不仅可以识别出偏振光的不同偏振态，而且可以识别出圆偏振光的不同偏振态，这是因为对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来说，薄膜的吸收不同。其中，一种圆偏振态下，两孔洞6的中间位置电荷振动强，产生的热多；而另外一种偏振态下，两孔洞6的中间位置电荷振动弱，产生的热少。如图3所示的二聚体孔洞6中，两孔洞6还可以具有某一夹角，以调节共振波长和产生更多热的区域。
实施例3
在实施例1的基础上，贵金属纳米颗粒嵌入到相变材料层4中，贵金属纳米颗粒可以部分嵌入到相变材料层4中，也可以整个颗粒嵌入到相变材料层4中，但是如果整个颗粒嵌入到相变材料层4中时，不应该嵌入太深，应保证入射光能够耦合到贵金属纳米颗粒中。这有利于将贵金属颗粒吸收光、产生的热传导到相变材料层4中，防止热散失，提高探测的灵敏度。此外，也可以为部分贵金属纳米颗粒嵌入到相变材料层4中，而其他部分贵金属纳米颗粒不嵌入到相变材料层4中。这样一来，相邻具有不同高度的贵金属纳米颗粒会产生耦合，增加了光与贵金属纳米颗粒作用的距离，产生竖直方向的电磁振动，提高了光吸收。
实施例4
在实施例3的基础上，在贵金属纳米颗粒上还覆盖石墨烯薄膜，石墨烯薄膜限制了从贵金属纳米颗粒散射出去的散射光，增强贵金属纳米颗粒对光的吸收，提高了探测灵敏度。在实施例3的基础上，部分贵金属纳米颗粒嵌入到相变材料层4中，而其他部分贵金属纳米颗粒不嵌入到相变材料层4中，这些贵金属纳米颗粒表面将不是平面，在非平面上覆盖石墨烯薄膜，形成石墨烯凹坑，这更有利于石墨烯和贵金属纳米颗粒构成的复合结构对光的吸收，提高系统对光的探测灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光热电效应的光探测器，包括基底、热电材料层、电极，热电材料层和电极设置在基底上，热电材料层的两端连接电极，其特征在于：在热电材料层的任一端的上面设置有相变材料层，相变材料层上还设置微结构层。
2.如权利要求1所述的基于光热电效应的光探测器，其特征在于：所述热电材料层的材料为Bi2Te3或SbTe3。
3.如权利要求2所述的基于光热电效应的光探测器，其特征在于：所述相变材料层的材料为温度变化导致热传导系数变化的材料。
4.如权利要求2所述的基于光热电效应的光探测器，其特征在于：所述相变材料层的材料为温度变化导致吸收光性能变化的材料。
5.如权利要求2所述的基于光热电效应的光探测器，其特征在于：所述相变材料层的材料为二氧化钒。
6.如权利要求3-5任一项所述的基于光热电效应的温度探测器，其特征在于：所述微结构层由贵金属纳米颗粒构成。
7.如权利要求3-5所述的基于光热电效应的光探测器，其特征在于：所述微结构层为带有孔洞的贵金属薄膜。
8.如权利要求6所述的基于光热电效应的光传感器，其特征在于：所述贵金属纳米颗粒为球形、方形或矩形。
9.如权利要求8所述的基于光热电效应的光传感器，其特征在于：所述贵金属纳米颗粒嵌入到相变材料层中。
10.如权利要求9所述的基于光热电效应的光传感器，其特征在于：在所述贵金属纳米颗粒上还覆盖石墨烯薄膜。
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CN113551773A (zh) * 2021-06-04 2021-10-26 王计兰 一种基于热电效应的火焰探测装置

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