CN110993719B - 一种光频响应电子隧穿结构、其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光频响应电子隧穿结构、其制备方法和用途。本发明利用电子隧穿纳米绝缘层所需时间在飞秒量级的特点，并利用纳米增强结构提升天线对光频电磁波辐射吸收能量，从而实现对光频信号的检测与能量收集，增强光频响应效率，同时，可以现实红外、可见或者紫外波段的光频响应，响应速度可以超过现有商业化光电器件。本发明光频响应电子隧穿结构具有响应时间快，像素面积在纳米尺寸量级，可广泛应用于光频探测、辐射能量收集、高分辨成像等领域的优势。
Description
技术领域
本发明属于光频响应技术领域，具体涉及一种光频响应电子隧穿结构、其制备方法和用途。
背景技术
光频响应是指将红外-可见光通过与其波长相匹配的光电功能结构实现光频信号传递和能量转化的物理过程，其显著特点是整流频率在到1013-1015Hz范围内，超出了现有半导体材料的工作频率极限。由于红外-可见光与人类生活、生产密切相关，光频整流过程的研究必将在光电探测、太阳能电池、无线能量传输、纳米光子学、红外传感成像等领域作用巨大。例如，可完成不同偏振光信号叠加和分解的光学运算器，可昼夜工作的大气辐射能量收集器，模拟植物光合作用过程等。同时，光频整流具有频谱宽、体积小、成本低的特点，涵盖现有光纤通信波长，信息传输速率可超过太赫兹(THz)电磁波，意义重大。
尽管从过程上看，光频整流与微波、射频、太赫兹天线等具有诸多相似之处，但由于电磁波的波长与其频率负相关，特别是可见光范围内的电磁波波长已在百纳米量级。此尺寸范围内实现复杂光频响应过程，无论是物理空间还是响应速度均面临众多技术难题。
目前实现光频响应需要解决两个基本问题：(1)选择合适的光频响应过程。半导体材料受载流子迁移速率限制，工作截止频率在1011Hz左右，无法与光频匹配。尽管原子核振动、价键扭转、电荷分离、材料相变等众多过程均具有超快特性，但其在过程控制、结构制备、应用集成等方面均有一定限制，所以选取合适物理过程实现光频整流尤为关键；(2)提高光频电磁波与整流结构的耦合效率。与传统微波天线内部存在电流不同，金属材料已无法作为红外-可见电磁波的完美导体，而以激发表面等离激元(SPP)的形式来响应光频电磁波，完成传输，其效率仍需提升。
因此，本领域需要开发一种新型光频响应器件，所述光频响应器件可以增强光频响应效率，获得实用化应用。
发明内容
针对现有技术中整体光频响应效率极低的问题，本发明的目的在于提供一种光频响应电子隧穿结构、其制备方法和用途。本发明利用电子隧穿纳米绝缘层所需时间在飞秒量级的特点，并利用纳米增强结构提升天线对光频电磁波辐射吸收能量，从而实现对光频信号的检测与能量收集，增强光频响应效率。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种光频响应电子隧穿结构，所述光频响应电子隧穿结构包括由下到上依次设置的基底、下层电极、纳米隧穿层和上层电极；
所述下层电极包括第一基体及设置于所述第一基体上的电子隧穿尖端和纳米增强结构；
所述上层电极包括第二基体及设置于所述第二基体上的纳米增强结构；
所述下层电极和上层电极不重叠，下层电极和上层电极之间的最短距离为T，所述T为下层电极的电子隧穿尖端自由端与上层电极相距最近的点a的距离，所述T为0.1～10nm，所述纳米绝缘层覆盖电子隧穿尖端，所述点a位于纳米绝缘层上。所述T的取值例如0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm等。
本发明所述第一基体和第二基体组合为光学天线。
本发明所述光频响应电子隧穿结构的结构参考图1，包括基底1、下层电极8、上层电极3、纳米隧穿层9、电子隧穿尖端2和纳米增强结构4。
本发明利用电子隧穿纳米绝缘层所需时间在飞秒量级的特点，并利用纳米增强结构提升天线对光频电磁波辐射吸收能量，从而实现对光频信号的检测与能量收集。根据量子力学原理，电子在纳米隧穿结内部发生隧穿所需要时间在飞秒量级，其与光频电磁波的振荡周期相当，可以实现对该频段内电磁波的频率响应。
本发明所述下层电极和上层电极的最短距离T为0.1～10nm，所述距离过大，降低电子隧穿几率；距离过小，无法获得足够输出电压，且易短路。
本发明所述纳米隧穿层的平面尺寸可根据实际情况进行选择，其主要覆盖电子隧穿尖端及其周围的金属电极部分，以减少介质层边缘隧穿为宜，具体覆盖上下基底的三分之一左右。本发明中电子隧穿尖端的自由端为未与第一基体连接的一端，其靠近第二基体。
优选地，所述下层电极中，所述电子隧穿尖端与所述第一基体在同一平面。
优选地，所述纳米隧穿层为对称结构，第一基体和第二基体分别位于所述纳米隧穿层中轴线的两侧。
优选地，所述纳米增强结构为分散在第一基体和第二基体表面的纳米颗粒。
本发明所述纳米增强结构设置在第一基体和第二基体的表面，不超过表面的边缘。
优选地，所述第一基体和第二基体中的纳米增强结构的材料组成相同或不同。
优选地，所述第一基体和第二基体中的纳米增强结构的形貌相同或不同。
本发明所述纳米增强结构在第一基体和第二基体中的材料组成及形貌可以相同，也可以不同。
优选地，所述纳米增强结构为通过刻蚀第一基体表面得到的纳米材料，与所述第一基体为一体结构；或，纳米增强结构为在第一基体表面沉积材料，得到的纳米材料。
优选地，所述纳米增强结构为通过刻蚀第二基体表面得到的纳米材料形成一体结构；或，纳米增强结构为在第二基体表面沉积材料，得到的纳米材料。
优选地，所述第一基体和第二基体为导电材料。
优选地，所述第一基体和第二基体各自独立的选自金、银、铝、铜、锌、铬和石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述第一基体和第二基体组合后的形貌包括领结型、八木天线型、螺旋型、T型或L型。
本发明中领结型如图1中第一基体和第二基体组成的形貌，八木天线型、螺旋型、T型和L型如图5-8中所示。
优选地，所述第一基体和第二基体组合后的外形尺寸为入射电磁波波长的0.25～10倍，例如0.5倍、0.8倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍、3倍、3.5倍、4倍、4.5倍、5倍、5.5倍、6倍、6.5倍、7倍、8倍、8.5倍、9倍或9.5倍等。
本发明所述第一基体和第二基体组合后的尺寸为：第一基体和第二基体在器件中最远点距离值。本发明所述尺寸皆为结构中最远点的距离值。
本发明所述第一基体和第二基体组合后的尺寸为入射电磁波波长的0.25～10倍，天线特征长度的选取主要考虑与电磁波的共振和器件外形尺寸及现有加工能力方面的因素。由于光学天线吸收电磁波本质要求其尺寸与电磁波长匹配，且一般为双极对称结构，因此光学天线的长度一般可选取四分之一波长的整数倍。但如果天线尺寸过长，电流在天线内部本身存在电阻损耗，由于光频电磁波长在亚微米或纳米级别，天线过短则对加工技术提出极高要求。因此0.25-10倍最为合适。所述光学天线特征长度由以下公式计算得到：L＝λ/2n，其中，λ为入射电磁波波长，n为天线所处环境介质的折射率；其宽度尺寸由光学天线设计的形状而具有确定。
优选地，所述光频响应电子隧穿器件采用的入射电磁波为红外光、可见光和紫外光中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述基底为刚性基底或柔性基底。
优选地，所述基底包括玻璃、三氧化二铝、氧化硅薄膜、氮化铝薄膜、氮化铝薄膜、聚苯烯薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述电子隧穿尖端为导电材料，优选为碳纳米材料，进一步优选为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或1-10层厚的石墨烯材料。
本发明对电子隧穿尖端、及光学天线的尺寸进行调控，其主要目的是现实光学天线对光频电磁波的共振响应，实现最佳转化效率，并兼顾光学天线内部的电流损耗与器件加工技术能力。
优选地，所述纳米增强结构包括金、铝、银、铜、锌、钛、锰、铬和镍中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述纳米增强结构的形貌为纳米颗粒、纳米条带、纳米网格、纳米螺旋和纳米线结构中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述纳米增强结构的尺寸为入射电磁波长的0.01～0.5倍。
本发明涉及的纳米增强结构为提升光学天线对电磁波的吸收效率和电子隧穿几率而设计。在上/下层电极内部可通过添加或去除不同纳米几何阵列获得表面等离激元的增强传输，或通过旋涂纳米颗粒实现同等效果。而在光频隧穿电子区域可以通过设计或添加尺寸更小的纳米尖端(电子隧穿尖端)获得隧穿电流提升。
优选地，所述纳米隧穿层为绝缘材料或半导体材料。
优选地，所述纳米隧穿层为准单晶层材料，优选包括三氧化二铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮化镓氧化铪、氧化锆、氧化锌、碳化硅和金刚石薄膜中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述纳米隧穿层的厚度为0.1～10nm，例如0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm、5nm、5.5nm、6nm、7nm、7.5nm、8nm、8.5nm、9nm或9.5nm等。
本发明中纳米隧穿层的厚度为0.1～10nm，厚度选择基于量子隧穿原理进行设计，随隧穿层厚度增加，隧穿电流逐渐减小，而隧穿结两端的可获得的电压逐渐增大。
优选地，所述纳米隧穿层的平面形状超过隧穿尖端的边缘，优选为正方形、长方形、圆形、菱形或三角形。
本发明的目的之二在于提供一种光频响应电子隧穿器件，所述光频响应电子隧穿器件包括目的之一所述的光频响应电子隧穿结构。
优选地，所述光频响应电子隧穿器件还包括面内引线、电流检测与收集器和外部引线。
图1是本发明所述光频响应电子隧穿器件的结构示意图，图中包括基底1、下层电极8、上层电极3、纳米隧穿层9、电子隧穿尖端2、纳米增强结构4、面内引线5、电流检测与收集器6和外部引线7。
本发明涉及的电流检测与收集器，既可以实现对光频电磁波的高频交流检测，也可通过整流实现能量输出和存储。本发明中的电流引出结构(面内引线、电流检测与收集器和外部引线)的功能是将光频整流结构获得的光频交流电流引出，其基本点是回路中RC的数值足够小，具体设置根据响应光波频率而确定。本发明中，面内引线和外部引线的尺寸需要根据光频天线之间的物理空间进行设定，引线尺寸越大，对应电阻则越小，更有利于光频响应器件正常工作，因此本发明对面内引线和外部引线的尺寸不作限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择。
本发明通过构筑高效光频电磁波增强吸收天线结构，并合理设计隧穿层厚度和电流引出结构，即可实现对光频信号响应和辐射能量收集。
优选地，所述外部引线通过面内引线分别与上层电极和下层电极相连接，电流检测与收集器设置于外部引线上。
本发明中涉及的光频响应结构的工作原理图如图2所示：基底1、下层电极8、上层电极3、纳米隧穿层9、电子隧穿尖端2、纳米增强结构4、面内引线5、电流检测与收集器6、外部引线7、入射电磁波10和光频隧穿电子11。
基本工作原理如下：①当光频入射电磁波辐照到特定结构的电子隧穿尖端上后，会在上、下层电极激发表面等离子体振荡；②通过纳米增强结构进一步调整表面等离激元在光学天线表面振荡模式分布，获得在电子隧穿尖端增强的振荡模式；③增强后的表面等离激元振荡会在特殊结构的电子隧穿尖端尖端产生微弱的光频交流电压差；④该电压差驱使电子在纳米绝缘层内部进行隧穿，由于该隧穿过程与光频周期时间相当，从而获得光频响应电学输出信号；⑤光频响应交流电学信号通过面内引线与外部引线进入电流检验与收集器，从而实现光频信号响应与辐射能量收集。
优选地，所述面内引线的材料组成包括金、铝、银、铜、锌、钛、锰、铬和镍中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述外部引线为铜导线、银导线、锌导线、钛导线、锰导线、铬导线和镍导线中的任意一种或至少两种的组合。
本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述光频响应电子隧穿结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)根据目标探测电磁波长λ，设计出对应的天线形状和特征长度，并选取用于天线电极的材料；
(2)在基底上制备第一基体，然后通过定向生长法制备与第一基体相连接的电子隧穿尖端，通过定向生长得到的电子隧穿尖端与第一基体在同一平面内；
(3)在电子隧穿尖端上覆盖纳米隧穿层，然后在所述纳米隧穿层上制备第二基体，所述电子隧穿尖端的自由端与第二基体相距最近的点a之间的距离为T，所述T为0.1～10nm，所述点a位于纳米绝缘层上；
(4)在第一基体和第二基体上分别设置纳米增强结构。
优选地，步骤(1)所述基底为采用磁控溅射制备、电子束蒸发制备、原子层沉积制备、分子束外延方法制备、或采用市售的绝缘基底。
优选地，步骤(2)所述纳米隧穿层的制备方式为原子层沉积技术或分子束外延技术，优选为原子层沉积技术。
优选地，步骤(1)所述下层电极和步骤(3)所述上层电极的制备方式为磁控溅射或电子束蒸发方法沉积。
优选地，步骤(4)所述纳米增强结构的制备过程包括：通过电子束曝光技术获得模板图形，然后化学沉积对应材料；或，通过聚焦离子束刻蚀。
优选地，步骤(3)之后，还包括步骤(4)：在所述第一基体和第二基体的一端分别连接面内引线，连接有第一基体的面内引线和连接有第二基体的面内引线通过外部引线相连，并在外部引线上设置电流检测与收集器，得到光频响应电子隧穿器件。
作为优选技术方案，本发明所述光频响应电子隧穿器件的制备过程包括如下步骤：
(1)以拟响应的光频电磁波中心波长为800nm为例，选取金偶极光学天线，形状选用领结型，单个基体设计为正三角形，三角形高度为200nm，设定隧穿距离为2nm；
(2)选用带有300nm厚的SiO2层的Si片作为器件制备基底，利用光刻板和紫外曝光技术在基底上形成第一基体(正三角形)图案；通过电子束蒸发技术向基底表面沉积100nm厚金基体层，并通过标准去胶工艺在基底上得到第一基体；
(3)在第一基体中靠近领结处的三角形顶端处沉积直径为5nm的Pt金属作为碳纳米管的生长催化剂，该过程采用聚焦离子束直写工艺直接获得，然后利用化学气相沉积方法，在催化剂作用下获得水平生长的碳纳米管电子隧穿尖端，该过程中采用CH4为碳源，分解区温度为1000℃，生长基底温区为300-500℃；
(4)利用PMMA作用电子束光刻胶，利用电子束曝光技术在第一基体靠近领结处获得直径为500nm圆形电子隧穿层，其完全覆盖光学天线领结区及碳纳米管电子隧穿尖端，利用原子层沉积技术(ALD)沉积2nm后的Al2O3作为电子隧穿介质，通过去除非目标区域的PMMA获得圆形隧穿介质层；
(5)再次向基底涂覆PMMA电子束光刻胶，利用电子束定位曝光技术，获得第二基体的几何形状，并利用电子束蒸镀技术，沉积100nm金天线层，去胶，获得设计的第二基体；
(6)利用聚焦离子束刻蚀技术，分别在第一、二基体表面刻蚀出直径为20nm，间距为30nm的圆形金属纳米阵列结构，作为光学天线的增强结构；
(7)利用电子束曝光技术，制备器件的面内引线，并通过压焊工艺使其与外部引线相连接。完成光频响应隧穿器件的制备过程。
本发明的目的之四在于提供一种如目的之二所述光频响应电子隧穿器件的用途，所述光频响应电子隧穿器件用于光频电磁波检测、高频通讯、辐射能量收集、高分辨成像与显示中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述辐射能量收集包括辐射能量阵列探测。
本发明的目的之五在于提供一种光频响应的辐射能量阵列探测器，所述光频响应的辐射能量阵列探测器包括目的之二所述光频响应电子隧穿器件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用电子隧穿纳米绝缘层所需时间在飞秒量级的特点，并利用纳米增强结构提升天线对光频电磁波辐射吸收能量，从而实现对光频信号的检测与能量收集，增强光频响应效率，同时，可以现实红外、可见或者紫外波段的光频响应，响应速度可以超过现有商业化光电器件。
(2)本发明涉及的纳米增强结构为提升光学天线对电磁波的吸收效率和电子隧穿几率而设计。在上/下层电极内部可通过添加或去除不同纳米几何阵列获得表面等离激元的增强传输，或通过旋涂纳米颗粒实现同等效果。而在光频隧穿电子区域可以通过设计或添加尺寸更小的纳米尖端(电子隧穿尖端)获得隧穿电流提升。本发明可控纳米结构可进一步增强光学天线对光频电磁波的吸收，碳纳米隧穿尖端可进一步减小隧穿结电容，提升响应频率到更高频段。
(3)本发明通过构筑高效光频电磁波增强吸收天线结构，并合理设计隧穿层厚度和电流引出结构，即可实现对光频信号响应和辐射能量收集。本发明光频响应电子隧穿结构具有响应时间快，像素面积在纳米尺寸量级，可广泛应用于光频探测、辐射能量收集、高分辨成像等领域的优势。
附图说明
图1是本发明所述光频响应电子隧穿器件的结构示意图；
图2是本发明所述光频响应电子隧穿器件的工作原理图；
图3是本发明具体实施例2提供的光频响应电子隧穿器件的结构示意图；
图4是本发明具体应用例1提供的光频响应的辐射能量阵列探测器的结构示意图；
图5是本发明所述第一基体和第二基体组合后为T型结构的示意图；
图6是本发明所述第一基体和第二基体组合后为L型结构的示意图；
图7是本发明所述第一基体和第二基体组合后为螺旋型结构的示意图；
图8是本发明所述第一基体和第二基体组合后为八木天线型结构的示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种利用金纳米条带增强电子隧穿过程的光频响应电子隧穿器件(其结构示意图参见图1)：
本实施例中光频响应电子隧穿器件的结构中：基底1为SiO2基底，电子隧穿尖端2为直径5nm的碳纳米管，上层电极3中的第一基体为Au电极，纳米增强结构4为Au纳米条带，面内引线5为Al面内电极，电流检测与收集器6为吉时利纳安电流表，外部引线7为Cu导线，下层电极8中的第二基体为下层Au电极，纳米隧穿层9为Al2O3纳米隧穿层；
其中，Al2O3隧穿层的厚度为1纳米，领结型光学天线，其中单个正三角形边长为300nm，电子隧穿尖端的直径为10nm，电子隧穿尖端的长度为1μm，Au纳米条带(3)的尺寸长度50nm，宽度20nm，所述电子隧穿尖端的自由端与上层Au电极最近点距离为5nm，Au纳米条带用于增强电极对光频电磁波的吸收和增强表面电子的振荡传输，最终提升隧穿电流。
本实施例光频响应电子隧穿器件的具体制备过程，示例性如下：
(1)以拟响应的光频电磁波中心波长为800nm，选取金偶极光学天线，形状选用领结型，单个基体设计为正三角形，单个正三角形边长为231nm，设定隧穿距离为2nm；
(2)选用带有300nm厚的SiO2层的Si片作为器件制备基底，利用光刻板和紫外曝光技术在基底上形成第一基体(正三角形)图案；通过电子束蒸发技术向基底表面沉积100nm厚金基体层，并通过标准去胶工艺在基底上得到第一基体；
(3)在第一基体中靠近领结处的三角形顶端处沉积直径为5nm的Pt金属作为碳纳米管的生长催化剂，该过程采用聚焦离子束直写工艺直接获得，然后利用化学气相沉积方法，在催化剂作用下获得水平生长的碳纳米管电子隧穿尖端，该过程中采用CH4为碳源，分解区温度为1000℃，生长基底温区为300-500℃；
(4)利用PMMA作用电子束光刻胶，利用电子束曝光技术在第一基体靠近领结处获得直径为500nm正方形电子隧穿层，其完全覆盖光学天线领结区及碳纳米管电子隧穿尖端，利用原子层沉积技术(ALD)沉积1nm厚的Al2O3作为电子隧穿介质，通过去除非目标区域的PMMA获得圆形隧穿介质层；
(5)再次向基底涂覆PMMA电子束光刻胶，利用电子束定位曝光技术，获得第二基体的几何形状，并利用电子束蒸镀技术，沉积100nm金天线层，去胶，获得设计的第二基体；
(6)利用聚焦离子束刻蚀技术，分别在第一、二基体表面刻蚀出长度50nm，宽度20nm的纳米条带金属纳米阵列结构，作为光学天线的增强结构；
(7)利用电子束曝光技术，制备器件的面内引线，并通过压焊工艺使其与外部引线相连接，完成光频响应隧穿器件的制备过程。
实施例2
一种利用碳纳米尖端增强电子隧穿过程的光频响应电子隧穿器件：
本实施例中光频响应电子隧穿器件的结构如图3所示，图中：基底1为Al2O3基底，电子隧穿尖端2为碳纳米尖端，上层电极3中的第一基体为上层Ag电极，纳米增强结构4为Al纳米颗粒，面内引线5为Au面内电极，电流检测与收集器6为吉时利纳安电流表，外部引线7为Cu导线，下层电极8中的第二基体为下层Ag电极，纳米隧穿层9为Al2O3纳米隧穿层。
其中，Al2O3隧穿层厚度为5纳米，碳纳米尖端的直径和长度分别为1nm和5μm，上层Ag电极的特征尺寸为400nm，下层Ag电极的特征尺寸为400nm，所述碳纳米尖端的自由端与上层Ag电极最近点距离T为3nm。
本发明中Au纳米颗粒用于增强电极对光频电磁波的散射与吸收和增强表面电子的振荡传输，碳纳米尖端可以提供纳米级尺寸的尖端半径，提升增增强因子，获得更高的隧穿电流，并可以减小隧穿结电容的有效面积，获得更短的响应时间和更高的响应频率。
本实施例光频响应电子隧穿器件的具体制备过程，示例性如下：
与发明实施例1中的光频隧穿结构制备流程相同，仅需更改不同功能部分的材质与尺寸，其中步骤(6)中Au纳米颗粒可以在完成第二基体制备后，通过旋涂工艺完成，其中Au纳米颗粒的分散剂选用丙酮溶液，甩胶机的旋涂转速选用1000转/分钟，加热100℃，烘干5分钟。
应用例1
本应用例中用于光频响应的辐射能量阵列探测器的结构如图4所示，其阵列单元由实施例1的光频整流单元构成，可以组成不同像素数目的探测器结构。
应用例2
本应用例中用于光频响应的辐射能量阵列探测器，其阵列单元由实施例2的光频整流单元构成，可以组成不同像素数目的探测器结构。
本发明应用例1和2中阵列探测器可以直接对空间光频电磁波的空间强度分布信息成像，获得直观的辐射强度分布图案。光频响应电子隧穿过程是基于可响应可见光频率电磁波的光学天线与电子隧穿结构进行探测环境介质中电磁波以接近光速传输，而电子在光学天线结构两端之间隧穿时间在飞秒量级；同时，本发明涉及光频响应电子隧穿器件的物理尺寸远小于现有探测器，在相同面积内可以制备更过探测像素单元。因此，该阵列探测器具有光频响应速度和探测像素在纳米量级的高分辨特性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (41)
1.一种光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述光频响应电子隧穿结构包括由下到上依次设置的基底(1)、下层电极(8)、纳米隧穿层(9)和上层电极(3)，所述纳米隧穿层(9)的厚度为0.1～10nm；
所述下层电极(8)包括第一基体及设置于所述第一基体上的电子隧穿尖端(2)和纳米增强结构(4)；
所述上层电极(3)包括第二基体及设置于所述第二基体上的纳米增强结构(4)；
所述下层电极(8)和上层电极(3)不重叠，下层电极(8)和上层电极(3)之间的最短距离为T，所述T为下层电极(8)的电子隧穿尖端(2)自由端与上层电极(3)相距最近的点a的距离，所述T为0.1～10nm，所述纳米隧穿层覆盖电子隧穿尖端(2)，所述点a位于纳米隧穿层上。
2.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述下层电极中，所述电子隧穿尖端(2)与所述第一基体在同一平面。
3.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米隧穿层(9)为对称结构，第一基体和第二基体分别位于所述纳米隧穿层(9)中轴线的两侧。
4.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)为分散在第一基体和第二基体表面的纳米颗粒。
5.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体中的纳米增强结构的材料组成相同或不同。
6.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体中的纳米增强结构的形貌相同或不同。
7.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)为通过刻蚀第一基体表面得到的纳米材料形成一体结构；或，纳米增强结构(4)为在第一基体表面沉积材料，得到的纳米材料。
8.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)为通过刻蚀第二基体表面得到的纳米材料形成一体结构；或，纳米增强结构(4)为在第二基体表面沉积材料，得到的纳米材料。
9.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体为导电材料。
10.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体各自独立的选自金、银、铝、铜、锌、铬和石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
11.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体组合后的形貌包括领结型、八木天线型、螺旋型、T型或L型。
12.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述第一基体和第二基体组合后的外形尺寸为入射电磁波波长的0.25～10倍。
13.如权利要求12所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述光频响应电子隧穿结构采用的入射电磁波为红外光、可见光和紫外光中的任意一种或至少两种的组合。
14.如权利要求1或2所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述基底(1)为刚性基底或柔性基底。
15.如权利要求14所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述基底(1)包括玻璃、三氧化二铝、氧化硅薄膜、氮化铝薄膜、氮化铝薄膜、聚苯烯薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或至少两种的组合。
16.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述电子隧穿尖端(2)为导电材料。
17.如权利要求16所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述导电材料为碳纳米材料。
18.如权利要求17所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述碳纳米材料包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或1～10层厚的石墨烯材料。
19.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)包括金、铝、银、铜、锌、钛、锰、铬和镍中的任意一种或至少两种的组合。
20.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)的形貌为纳米颗粒、纳米条带、纳米网格、纳米螺旋和纳米线结构中的任意一种或至少两种的组合。
21.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米增强结构(4)的尺寸为入射电磁波长的0.01～0.5倍。
22.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米隧穿层(9)为绝缘材料或半导体材料。
23.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米隧穿层(9)为准单晶层材料。
24.如权利要求23所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述准单晶层材料包括三氧化二铝、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮化镓氧化铪、氧化锆、氧化锌、碳化硅和金刚石薄膜中的任意一种或至少两种的组合。
25.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米隧穿层(9)的平面形状超过隧穿尖端的边缘。
26.如权利要求1所述的光频响应电子隧穿结构，其特征在于，所述纳米隧穿层(9)的平面形状为正方形、长方形、圆形、菱形或三角形。
27.一种光频响应电子隧穿器件，其特征在于，所述光频响应电子隧穿器件包括权利要求1-26之一所述的光频响应电子隧穿结构。
28.如权利要求27所述的光频响应电子隧穿器件，其特征在于，所述光频响应电子隧穿器件还包括面内引线(5)、电流检测与收集器(6)和外部引线(7)。
29.如权利要求28所述的光频响应电子隧穿器件，其特征在于，所述外部引线(7)通过面内引线(5)分别与上层电极(3)和下层电极(8)相连接，电流检测与收集器(6)设置于外部引线(7)上。
30.如权利要求28所述的光频响应电子隧穿器件，其特征在于，所述面内引线(5)的材料组成包括金、铝、银、铜、锌、钛、锰、铬和镍中的任意一种或至少两种的组合。
31.如权利要求28所述的光频响应电子隧穿器件，其特征在于，所述外部引线(7)为铜导线、银导线、锌导线、钛导线、锰导线、铬导线和镍导线中的任意一种或至少两种的组合。
32.一种如权利要求1-26之一所述光频响应电子隧穿结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据目标探测电磁波长λ，设计出对应的天线形状和特征长度，并选取用于天线电极的材料；
(2)在基底上制备第一基体，然后通过定向生长法制备与第一基体相连接的电子隧穿尖端，通过定向生长得到的电子隧穿尖端与第一基体在同一平面内；
(3)在电子隧穿尖端上覆盖纳米隧穿层，然后在所述纳米隧穿层上制备第二基体，所述电子隧穿尖端的自由端与第二基体相距最近的点a之间的距离为T，所述T为0.1～10nm，所述点a位于纳米隧穿层上；
(4)在第一基体和第二基体上分别设置纳米增强结构。
33.如权利要求32所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述基底为采用磁控溅射制备、电子束蒸发制备、原子层沉积制备、分子束外延方法制备、或采用市售的绝缘基底。
34.如权利要求32所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述纳米隧穿层的制备方式为原子层沉积技术或分子束外延技术。
35.如权利要求34所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述纳米隧穿层的制备方式为原子层沉积技术。
36.如权利要求32所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述下层电极和步骤(3)所述上层电极的制备方式为磁控溅射或电子束蒸发方法沉积。
37.如权利要求32所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述纳米增强结构的制备过程包括：通过电子束曝光技术获得模板图形，然后化学沉积对应材料；或，通过聚焦离子束刻蚀。
38.如权利要求32所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)之后，还包括步骤(4)：在所述第一基体和第二基体的一端分别连接面内引线，连接有第一基体的面内引线和连接有第二基体的面内引线通过外部引线相连，并在外部引线上设置电流检测与收集器，得到光频响应电子隧穿器件。
39.一种如权利要求27-31任一项所述光频响应电子隧穿器件的用途，其特征在于，所述光频响应电子隧穿器件用于光频电磁波检测、高频通讯、辐射能量收集、高分辨成像与显示中的任意一种或至少两种的组合。
40.如权利要求39所述的光频响应电子隧穿器件的用途，其特征在于，所述辐射能量收集包括辐射能量阵列探测。
41.一种光频响应的辐射能量阵列探测器，其特征在于，所述光频响应的辐射能量阵列探测器包括权利要求27-31任一项所述光频响应电子隧穿器件。
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