CN110514307A - 基于二维材料光热电效应的红外探测器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二维材料光热电效应的红外探测器及系统，具体而言，涉及电磁波测量领域，通过在基底上设置绝缘层，在绝缘层上设置二维材料层，在二维材料层之上的一部分设置有金属颗粒层，通过金属颗粒层的金属颗粒的光热效应，使得该二维材料层覆盖有金属颗粒的一侧的温度大于未覆盖金属颗粒一侧的温度，则该二维材料层覆盖金属颗粒层的一侧与未覆盖金属颗粒层的一侧之间存在有一定温差，并且该二维材料层可以导电，则该二维材料层中的载流子会发生流动，从而使得该红外探测器产生电流，并且可以通过对该红外探测器产生的电流进行检测，根据产生电流大小与光的波长的关系，就可以得到照射到该红外探测器上的光的波长，计算简单，且成本较低。
Description
技术领域
本发明电磁波测量领域，具体而言，涉及一种基于二维材料光热电效应的红外探测器及系统。
背景技术
光是一种电磁波，红外光是一种特殊的光，电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。
现有技术中，对红外光的测量一般通过将红外光的时间波形变换成适合于信号处理等的时间波形以测量时间波形的装置和方法，之后通过计算机对转换之后适合于信号处理等的时间波形以测量时间波形进行处理计算。
但是，上述现有技术中对红外光的波形的转换、处理并计算的过程全程依靠计算机，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于二维材料光热电效应的红外探测器及系统，以解决现有技术中对红外光的波形的转换、处理并计算的过程全程依靠计算机，成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于二维材料光热电效应的红外探测器，红外探测器包括：基底、绝缘层、二维材料层和金属颗粒层；
绝缘层设置在基底之上，二维材料层设置在绝缘层之上，金属颗粒层设置在二维材料层远离基底的面的一侧，且金属颗粒层在绝缘层上的投影的面积小于绝缘层的面积，其中，二维材料层可以导电。
可选地，该红外探测器还包括挡光层，挡光层涂覆在二维材料层远离基底的一侧。
可选地，该红外探测器还包括正电极和负电极，正电极和负电极分别设置在二维材料层的两侧。
可选地，该二维材料层的材料为：石墨烯、二氧化钼和黑磷中任意一种。
可选地，该红外探测器还包括碳化硅层，碳化硅层设置在二维材料层与绝缘层之间，且与金属颗粒层在绝缘层上的投影位置重合。
可选地，该红外探测器还包括石墨烯层，石墨烯层设置在二维材料层和金属颗粒层之间，且与金属颗粒层在绝缘层上的投影位置重合。
可选地，绝缘层靠近二维材料层的一端周期的设置有多个孔洞。
可选地，该二维材料层靠近金属颗粒层的位置上涂覆有碳化硅颗粒层。
可选地，该金属颗粒层中的金属颗粒为球形、方形、圆环形中任意一种形状。
第二方面，本发明实施例还提供了另一种基于二维材料光热电效应的红外探测系统，红外探测系统包括电能测量装置和第一方面任意一项的红外探测器，电能测量装置与红外探测器电连接。
本发明的有益效果是：
本申请通过在基底上设置一层绝缘层，在绝缘层上设置一层二维材料层，在二维材料层之上的一部分设置有金属颗粒层，通过金属颗粒层的金属颗粒的光热效应，使得该二维材料层覆盖有金属颗粒的一侧的温度大于未覆盖金属颗粒一侧的温度，则该二维材料层覆盖金属颗粒层的一侧与未覆盖金属颗粒层的一侧之间存在有一定温差，并且该二维材料层可以导电，则该二维材料层中的载流子会发生流动，从而使得该红外探测器产生电流，并且可以通过对该红外探测器产生的电流进行检测，根据产生电流大小与光的波长的关系，就可以得到照射到该红外探测器上的光的波长，计算简单，且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种红外探测器的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图。
图标：10-基底；20-绝缘层；30-二维材料层；40-金属颗粒层；50-挡光层；60-正电极；70-负电极；80-碳化硅层；90-石墨烯层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明一实施例提供的一种红外探测器的结构示意图，如图1所示，该基于二维材料光热电效应的红外探测器，红外探测器包括：基底10、绝缘层20、二维材料层30和金属颗粒层40；绝缘层20设置在基底10之上，二维材料层30设置在绝缘层20之上，金属颗粒层40设置在二维材料层30远离基底10的面的一侧，且金属颗粒层40在绝缘层20上的投影的面积小于绝缘层20的面积，其中，二维材料层30可以导电。
金属颗粒层40中的金属颗粒具有光热效应，接收一定波长的光会对应产生一定的热量，产生的热量与接收光的波长具有一定的对应关系，该二维材料层30中的二维材料可以导电，并将该二维材料层30设置在该金属颗粒层40之下，且该金属颗粒层40的面积小于该二维材料层30的面积，即可以将该金属颗粒层40设置在该二维材料层30上表面的一侧，当光照射到该金属材料层上时，该金属材料吸收波长将产生一定的热量，并将产生的热量传送给二维材料层30，由于有金属颗粒层40覆盖的部分产生的热量和没有金属颗粒层40覆盖的区域产生的热量是不同的，则该二维材料层30的两端存在一定的温差，并且由于该二维材料层30可以导电，则该二维材料层30上会产生一定的电流；该二维材料层30远离该金属颗粒层40的一侧设置有绝缘层20，在该绝缘层20远离该二维材料层30的一侧设置有基底10，该绝缘层20的材料为绝缘材料，可以用于在该红外探测器产生电流的时候，防止产生的电流传输到该基底10上，该绝缘层20使得该红外探测器虽然内部可以产生电流，但是电流不从基底10溢出；需要说明的是，该金属颗粒层40在该二维材料层30上的投影面积根据实际需要进行设定，在此不做限定，一般的，该金属颗粒层40与该二维材料层30的面积比为1:2。
名词解释，二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱，二维材料的全名为二维原子晶体材料，是伴随着2004年曼切斯特大学成功分离出单原子层的石墨材料—石墨烯而提出的。石墨烯突出的特点是单元子层厚，高载流子迁移率、线性能谱、强度高。
需要说明的是，红外光是波长比可见光要长的电磁波（光），波长为770纳米到1毫米之间，光谱上面在红色光的外侧，由于红外光具有较为突出的热效应，则本申请中的红外探测器可以用于对红外光的波长进行探测。
图2为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图，如图2所示，可选地，红外探测器还包括挡光层50，挡光层50涂覆在二维材料层30远离基底10的一侧。
具体地，为了使得该红外探测器上二维材料层30两端的温差更大，进而使得产生的电流更大，则在该二维材料层30之上，未涂覆金属颗粒层40的位置涂覆有挡光层50，由于该二维材料层30上设置有当光层，则该二维材料层30覆盖金属颗粒层40的一侧与该二维层覆盖挡光层50的一侧会产生巨大的温度差，从而使得该红外探测器产生的电流更大，需要说明的是，对该挡光层50的材料不做具体限定，只要能实现遮挡光线即可。
另外，该挡光层50可以是在该二维材料层30上刷上一层挡光材料，也可以是在该二维材料层30上未设置金属颗粒层40的部分上涂覆高反射膜或者不透光膜在此不做具体限定。
图3为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图，如图3所示，可选地，红外探测器还包括正电极60和负电极70，正电极60和负电极70分别设置在二维材料层30的两侧。
该二维材料层30的两侧分别设置有正电极60和负电极70，用于在该二维材料层30产生电流的时候该正电极60和负电极70带电，使得该二维材料层30、正电极60和负电极70组成了一个可输出电流的电源。
需要说明的是，该正电极60和负电极70的具体设置位置不做限定，只要能实现通过该正电极60和负电极70将该二维材料层30产生的电流进行输出即可，一般的，可以将该正电极60和负电极70分别设置在该二维材料层30的两端，该正电极60和负电极70的材料和形状根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。
可选地，该二维材料层30的材料为：石墨烯、二氧化钼和黑磷中任意一种。
可以使得石墨烯、二氧化钼和黑磷中任意一种二维材料制作二维材料层30，二维材料层30的具体材料根据实际情况进行选择，在此不做限定。
图4为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图，如图4所示，可选地，红外探测器还包括碳化硅层80，碳化硅层80设置在二维材料层30与绝缘层20之间，且与金属颗粒层40在绝缘层20上的投影位置重合。
具体地，由于碳化硅层80中的碳化硅可以增加该红外探测器对光线的吸收，则可以在二维材料层30与绝缘层20之间设置一层碳化硅层80，且该碳化硅层80与该金属颗粒层40在该基底10的投影面积相同，即该碳化硅层80用于增强该金属颗粒层40对光的吸收。
需要说明的是，可以将该金属颗粒层40在该绝缘层20上投影的部分的绝缘层20全部替换为碳化硅组成的层结构。
图5为本发明一实施例提供的另一种红外探测器的结构示意图，如图5所示，可选地，红外探测器还包括石墨烯层90，石墨烯层90设置在二维材料层30和金属颗粒层40之间，且与金属颗粒层40在绝缘层20上的投影位置重合。
为了增加该金属颗粒层40对对应波长的光线的吸收，则可以在该金属颗粒层40与该二维材料层30之间设置石墨烯层90，该石墨烯层90可以由石墨烯碎片组成，也可以由整块石墨烯块组成，在此不做限定，切该石墨烯层90的面积与该金属颗粒层40的面积相同，且该石墨烯层90设置在该金属颗粒层40的正下方，与该金属颗粒层40在该二维材料层30上的投影面积相重合。
可选地，绝缘层20靠近二维材料层30的一端周期的设置有多个孔洞（图中未示出）。
具体地，在该绝缘层20上靠近二维材料层30的一端设置多个孔洞，该孔洞用于聚集能量，帮助该覆盖有金属颗粒层40的二维材料层30对光线的吸收，该孔洞可以周期性设置，用于吸收特定波长的光。
需要说明的是，该孔洞的半径尺寸与孔洞深度根据实际情况进行设定，在此不做限定，该孔洞的设置周期根据实际需要进行设定，在此不做具体限定。
可选地，二维材料层30靠近金属层的位置上涂覆有碳化硅颗粒层（图中未示出）。
若该绝缘层20上设置有孔洞，则可以在该二维材料层30上金属颗粒层40的投影位置上涂覆碳化硅颗粒层；若该绝缘层20上未设置有孔洞，也可以在该二维材料层30上金属颗粒层40的投影位置上附图碳化硅颗粒层，已形成多种共振模式，有利于红外探测器对不同波长红外光进行选择探测。
需要说明的是，该碳化硅颗粒层的材料为碳化硅。
可选地，金属颗粒层40中的金属颗粒为球形、方形、圆环形中任意一种形状。
该金属颗粒层40中可以包括多种金属颗粒，其中该金属颗粒的形状可以为球形、方形、圆环形中任意一种形状，该金属颗粒层40的具体金属种类根据实际需要进行设定，在此不做限定，一般的该金属颗粒层40中的金属为贵金属。
本申请通过在基底10上设置一层绝缘层20，在绝缘层20上设置一层二维材料层30，在二维材料层30之上的一部分设置有金属颗粒层40，通过金属颗粒层40的金属颗粒的光热效应，使得该二维材料层30覆盖有金属颗粒的一侧的温度大于未覆盖金属颗粒一侧的温度，则该二维材料层30覆盖金属颗粒层40的一侧与未覆盖金属颗粒层40的一侧之间存在有一定温差，并且该二维材料层30可以导电，则该二维材料层30中的载流子会发生流动，从而使得该红外探测器产生电流，并且可以通过对该红外探测器产生的电流进行检测，根据产生电流大小与光的波长的关系，就可以得到照射到该红外探测器上的光的波长，计算简单，且成本较低。
本申请还提供了一种基于二维材料光热电效应的红外探测系统，红外探测系统包括电能测量装置和上述任意一项的红外探测器，电能测量装置与红外探测器电连接。
将电能测量装置与该红外探测器电连接，用于检测该红外探测器输出的电流。
可选地，当该红外探测器中二维材料层30两端设置有正电极60和负电极70时，该电能测量装置包括：电流表、电压变和电能表中至少一种。
电流表用于检测该红外探测器正电极60和负电极70之间输出的电流；电压表用于检测该红外探测器正电极60和负电极70之间输出的电压；电能表用于检测该红外探测器正电极60和负电极70之间输出的电能，由于电流、电压和电能之间可以根据公式进行转化，则将电流表、电压变和电能表中的至少一个电能测量装置安装在该红外探测器中均可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器包括：基底、绝缘层、二维材料层和金属颗粒层；
所述绝缘层设置在所述基底之上，所述二维材料层设置在所述绝缘层之上，所述金属颗粒层设置在所述二维材料层远离所述基底的面的一侧，且所述金属颗粒层在所述绝缘层上的投影的面积小于所述绝缘层的面积，其中，所述二维材料层可以导电。
2.根据权利要求1的基于二维材料光热电效应的红外探测器，所述红外探测器还包括挡光层，所述挡光层涂覆在所述二维材料层远离所述基底的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括正电极和负电极，所述正电极和所述负电极分别设置在所述二维材料层的两侧。
4.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述二维材料层的材料为：石墨烯、二氧化钼和黑磷中任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括碳化硅层，所述碳化硅层设置在所述二维材料层与所述绝缘层之间，且与所述金属颗粒层在所述绝缘层上的投影位置重合。
6.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括石墨烯层，所述石墨烯层设置在所述二维材料层和所述金属颗粒层之间，且与所述金属颗粒层在所述绝缘层上的投影位置重合。
7.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述绝缘层靠近所述二维材料层的一端周期的设置有多个孔洞。
8.根据权利要求1或7所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述二维材料层靠近所述金属颗粒层的位置上涂覆有碳化硅颗粒层。
9.根据权利要求1所述的基于二维材料光热电效应的红外探测器，其特征在于，所述金属颗粒层中的金属颗粒为球形、方形、圆环形中任意一种形状。
10.一种基于二维材料光热电效应的红外探测系统，其特征在于，所述红外探测系统包括电能测量装置和权利要求1-9任意一项所述的红外探测器，所述电能测量装置与所述红外探测器电连接。
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| CN201910811968.5A Active CN110514307B (zh) | 2019-08-30 | 2019-08-30 | 基于二维材料光热电效应的红外探测器及系统 |
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| CN (1) | CN110514307B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113203493A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-03 | 西安邮电大学 | 温度探测装置 |
| 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 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8916825B1 (en) * | 2011-12-01 | 2014-12-23 | Magnolia Optical Technologies, Inc. | Ultraviolet, infrared and terahertz photo/radiation sensors using graphene layers to enhance sensitivity |
| CN107768452A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-03-06 | 厦门大学 | 一种增强型石墨烯‑硅异质结光电探测芯片及其制备方法 |
| CN109119506A (zh) * | 2018-09-16 | 2019-01-01 | 宋欢 | 一种基于光热电转换效应的超高频光子探测器 |
| CN209166656U (zh) * | 2019-01-22 | 2019-07-26 | 青岛歌尔智能传感器有限公司 | 热释电红外探测器 |
| CN110137301A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-16 | 淮阴工学院 | 基于金属阵列结构的石墨烯光电探测器及其制备方法 |
-
2019
- 2019-08-30 CN CN201910811968.5A patent/CN110514307B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110137301A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-16 | 淮阴工学院 | 基于金属阵列结构的石墨烯光电探测器及其制备方法 |
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Denomination of invention: Infrared detector and system based on two-dimensional material photothermal effect Granted publication date: 20201106 Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Guangshan Branch Pledgor: HENAN SANYUAN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980005005 |
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