CN111521262A - 一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法。所述光探测单元包括柔性衬底、反光层、绝缘层、层状二维铁电材料、第一电极和第二电极；在所述柔性衬底上依次制备所述反光层、所述绝缘层和所述层状二维铁电材料；在所述层状二维铁电材料上分别制备所述第一电极和所述第二电极；所述第一电极和所述第二电极之间施加电场的方向与所述层状二维铁电材料面内极化方向平行。本发明的目的是提供一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法，可应用于航空航天以及强辐射环境中，并根据实际需要调控抗辐射性能。
Description
技术领域
本发明涉及光探测领域，特别是涉及一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法。
背景技术
光探测单元在人们的生产、生活中的应用非常广泛，主要是通过探测光在传感器中引起的电流、电压、温度等的变化来识别光的波长或者是光的强度。目前的商用传感器主要用于普通的地面环境中，所需要考虑的辐射主要是周围电子器件、信号传输等低剂量率、低剂量的辐射，然而这些辐射对于普通光探测单元的影响不大，不会直接引发光探测单元的功能失效或者破坏。但当光探测单元被应用到航空航天、深空探测、核爆现场等强辐射环境的时候，必须考虑强辐射环境下的高辐射剂量率、剂量等高能粒子对于光探测性能影响，以及可能引发的光探测单元损坏等。一般情况下，在研发航空航天、深空探测、核爆现场等强辐射环境应用的光探测单元时，主要利用60CO-γ射线来进行地面模拟抗辐射性能测试。一般情况下，近地轨道上工作的光探测单元至少要能承受100krad(Si)的60CO-γ射线辐射剂量，而应用于深空探测的光探测单元至少要承受1Mrad(Si)的60CO-γ射线的辐射剂量，在核爆环境中工作的光探测单元随距离核爆中心的距离远近需要承受1Mrad(Si)至100Mrad(Si)的60CO-γ射线辐射剂量。另外，由于工作环境的动态变化，光探测单元所承受的辐照剂量率变化也非常大。考虑到这些特殊的工作环境，研发一种具有较高抗辐射性能的光探测单元至关重要。另外，仅具有高抗辐射性能并不能满足实际的需求，在具有高抗辐射性能的同时，必须考虑光探测单元的光响应系数。目前，基于新型层状二维材料的光探测单元具有很高的光响应系数，但是其抗辐射性能很不理想。尤其是在高能量辐射粒子进入层状二维材料以后，将能量传递给材料中的原子，使这些原子离开本来的位置，造成位移损伤，层状二维材料的位移损伤为不可逆损伤，会造成光探测单元性能的直接退化和破坏，严重制约了它们在航空航天、深空探测、核爆现场等强辐射环境中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法，可应用于航空航天以及强辐射环境中，并根据实际需要调控抗辐射性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，包括：柔性衬底、反光层、绝缘层、层状二维铁电材料、第一电极和第二电极；
在所述柔性衬底上依次制备所述反光层、所述绝缘层和所述层状二维铁电材料；
在所述层状二维铁电材料上分别制备所述第一电极和所述第二电极；所述第一电极和所述第二电极之间施加电场的方向与所述层状二维铁电材料面内极化方向平行。
可选的，所述柔性衬底的厚度小于120μm。
可选的，所述反光层的表面粗糙程度小于3nm，所述反光层的太阳辐射反射系数大于0.5。
可选的，当所述反光层与所述柔性衬底为不同材料时，所述反光层的厚度小于2μm。
可选的，所述绝缘层的表面粗糙程度小于2nm，所述绝缘层的太阳辐射反射系数大于0.55。
可选的，当所述绝缘层与所述反光层为不同材料时，所述绝缘层的厚度大于100nm，所述绝缘层的禁带宽度大于3.8eV。
可选的，所述层状二维铁电材料为单层或多层；所述层状二维铁电材料的厚度介于0.3nm～100nm之间，所述层状二维铁电材料的禁带宽度小于2.8eV。
可选的，所述层状二维铁电材料由In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3或In2Te3中的一种或者几种材料构成。
可选的，所述层状二维铁电材料中掺杂Co、Fe或Mn元素。
一种基于应变调控抗辐射性能的调控方法，所述调控方法包括：
利用高电压使层状二维铁电材料极化为单畴；
在第一电极和第二电极间施加微小电压测量得到电流值；
根据所述电流值识别光的强度；
根据所述光的强度控制柔性衬底的弯曲半径；弯曲半径的范围在2cm～10cm之间。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的提供一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法，通过在所述柔性衬底上依次制备所述反光层、所述绝缘层和所述层状二维铁电材料；在所述层状二维铁电材料上分别制备所述第一电极和所述第二电极；通过所述反光层和所述绝缘层提高所述层状二维铁电材料的被探测光的吸收能力。通过柔性衬底使得层状二维铁电材料内部产生应变，能够提高层状二维铁电材料中极化改变所需跨过的能垒高度，这样当高能辐射粒子入射层状二维铁电材料时，辐射粒子引起层状二维铁电材料局部晶格中原子的振动，使得层状二维铁电材料局部极化状态翻转，极化状态翻转的过程会消耗掉大量的能量，而不会引起位移损伤。进而可应用于航空航天以及强辐射环境中，并根据实际需要调控抗辐射性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元结构示意图；
图2为本发明所提供的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元在相同光强下测试光响随弯曲半径的变化示意图；
图3为普通光探测单元在辐照前后光响随入射光功率密度的变化示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法，可应用于航空航天以及强辐射环境中，并根据实际需要调控抗辐射性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，包括：柔性衬底1、反光层2、绝缘层3、层状二维铁电材料4、第一电极5和第二电极6。
在所述柔性衬底1上依次制备所述反光层2、所述绝缘层3和所述层状二维铁电材料4；
在所述层状二维铁电材料4上分别制备所述第一电极5和所述第二电极6；所述第一电极5和所述第二电极6之间施加电场的方向与所述层状二维铁电材料4面内极化方向平行。
当层状二维铁电材料4本身对于被探测光的吸收系数较低时，采用这样的结构能够能够极大提高层状二维铁电材料4对被探测光的吸收能力。当层状二维铁电材料4本身对于被探测光的吸收系数较高时，通过绝缘层3的反射就能很好地提高层状二维铁电材料4对被探测光的吸收，反光层2和衬底可以采用同种材料，反光层2和绝缘层3可以为同种材料。当层状二维铁电材料4本身对于被探测光的吸收系数非常高时，不需要绝缘层3和反光层2来提高层状二维铁电材料4对被探测光的吸收，此时反光层2、绝缘层3、衬底可以采用同种材料。
为了能够有效地通过弯曲衬底在层状二维铁电材料4中引入应变的作用，同时使得引入的应变值不会过大，所述柔性衬底1的厚度小于120μm。一旦衬底的厚度高于120μm，则层状二维铁电材料4很容易在弯曲过程中引入的过量应变超过层状二维铁电材料4的形变极限，而发生层状二维铁电材料4的断裂或者移位。控制反光层2和绝缘层3厚度的原因也是为了进一步控制在层状二维铁电材料4中引入的应变值范围。
为了在制备绝缘层3时，减小绝缘层3的粗糙程度，同时其较高的反射系数能将进入光探测单元内部的光再次反射给绝缘层3，并通过绝缘层3反射给层状二维铁电材料4，所述反光层2的表面粗糙程度小于3nm，所述反光层2的太阳辐射反射系数大于0.5。
当所述反光层2与所述柔性衬底1为不同材料时，所述反光层2的厚度小于2μm。
为了增强层状二维铁电材料4与绝缘层3之间的范德华力，同时更小的粗糙程度能够减小因表面粗糙在层状二维铁电材料4里面的引入的附加应力，所述绝缘层3的表面粗糙程度小于2nm；为了能够将透射过层状二维铁电材料4的光再次反射会层状二维铁电材料4，以提高层状二维铁电材料4中光的吸收率，所述绝缘层3的太阳辐射反射系数大于0.55。
当所述绝缘层3与所述反光层2为不同材料时，所述绝缘层3的厚度大于100nm，所述绝缘层3的禁带宽度大于3.8eV。
为了提高层状二维铁电材料4吸收光以后，产生的电子空穴对在整个光探测单元中载流子的比例，所述层状二维铁电材料4为单层或多层；所述层状二维铁电材料4的厚度介于0.3nm～100nm之间；在电极两侧施加微小电压时，载流子浓度变化的比例越大，光探测单元中的电流变化就越大，能使得光更易于通过电流的变化进行识别；所述层状二维铁电材料4的禁带宽度小于2.8eV，采用禁带宽度较小的层状二维铁电材料4能够提高可探测光波长的范围。当通过弯曲衬底在光探测单元中引入应变时，能够提高层状二维铁电材料4中极化改变所需跨过的能垒高度，这样当高能辐射粒子入射层状二维铁电材料4时，辐射粒子引起层状二维铁电材料4局部晶格中原子的振动，使得层状二维铁电材料4局部极化状态翻转，极化状态翻转的过程会消耗掉大量的能量，而不会引起位移损伤。
所述层状二维铁电材料4由In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3或In2Te3中的一种或者几种材料构成。
所述层状二维铁电材料4的构成材料中掺杂Co、Fe或Mn元素。进一步的，所述层状二维铁电材料4掺杂元素并不限于上述元素，可以是掺杂类的材料，也可以不使用掺杂元素。
使用层状二维铁电材料4是由于层状二维铁电材料4内部存在铁电极化，当高能辐射粒子入射光探测单元时，其能量能够通过使层状二维铁电材料4内部的极化改变进行消耗，此时层状二维铁电材料4内部将会由单畴结构改为多畴结构。
每隔24小时加高压使得层状二维铁电材料4由辐射粒子入射后的多畴状态变为单畴状态，能够减小由于畴变所引起暗电流变化对光探测的影响。基于普通二维材料的光探测单元，高能辐射粒子入射二维材料以后，会直接将能量传递给原子，会引发位移损伤，使得二维材料的结构产生无法修复的破坏。相比于基于普通二维材料的光探测单元，本发明中应用层状二维铁电材料4的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法，将能极大提高光探测单元抗辐射性能的同时确保光探测性能可靠性。
在具体的实施例中，以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元为实施例1。其实现的主要流程为：
a)将PET衬底上清洗干净并干燥。
b)使用机械剥离或者腐蚀转移的方法，将20nm厚的α-In2Se3转移到30nm-HfO2/20nm-Ag/PET衬底上。
c)利用磁控溅射法，使用掩膜板在α-In2Se3镀左电极、右电极；或者在α-In2Se3镀Pt电极以后，使用刻蚀方法，形成第一电极5、第二电极6，第一电极5和第二电极6间的间距为50μm左右。
采用高压极化使得α-In2Se3呈现单畴结构，将柔性衬底1的弯曲半径控制在2～8cm施加拉应变，使用405nm波长的光源在相同光强下测试光响随弯曲半径的变化。在经过1Mrad(Si)以后，再次高压极化使层状二维铁电材料4成为单畴，再次测试使用405nm波长的光源在相同光强下测试光响随弯曲半径的变化如图2所示，可见在拉应变状态下辐照前后其性能几乎没有变化。
为对比应变对所述光探测单元抗辐射性能的调控作用，以衬底为包覆300nmSiO2的Si衬底、绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt的普通光响应探测器器为对比例。图3为普通光探测单元在辐照前后光响随入射光功率密度的变化，如图3所示，辐照前后性能差异极大。
本发明所提供的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元的构成组合具体为：
(1)以柔性衬底1为Mica、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(2)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为β-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(3)以柔性衬底1为Mica、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为β-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(4)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Co掺杂α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(5)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Fe杂α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(6)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Ni杂α-In2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(7)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Ni杂In2Te3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(8)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Ni杂Ga2Se3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(9)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Ni杂In2S3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
(10)以柔性衬底1为PET、反光层2为Ag，绝缘层3为HfO2，层状二维铁电材料4为Ni杂Ga2S3，第一电极5和第二电极6均为Pt。
本发明还提供一种基于应变调控抗辐射性能的调控方法，所述调控方法应用于上述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，所述调控方法包括：
S101，利用高电压使层状二维铁电材料4极化为单畴；
S102，在第一电极5和第二电极6间施加微小电压测量得到电流值；
S103，根据所述电流值识别光的强度；
S104，根据所述光的强度控制柔性衬底1的弯曲半径；弯曲半径的范围在2cm～10cm之间。
为了能够减小由于畴变所引起暗电流变化对光探测的影响，每隔24小时加高压使得层状二维铁电材料4由辐射粒子入射后的多畴状态变为单畴状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述光探测单元包括：柔性衬底、反光层、绝缘层、层状二维铁电材料、第一电极和第二电极；
在所述柔性衬底上依次制备所述反光层、所述绝缘层和所述层状二维铁电材料；
在所述层状二维铁电材料上分别制备所述第一电极和所述第二电极；所述第一电极和所述第二电极之间施加电场的方向与所述层状二维铁电材料面内极化方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述柔性衬底的厚度小于120μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述反光层的表面粗糙程度小于3nm，所述反光层的太阳辐射反射系数大于0.5。
4.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，当所述反光层与所述柔性衬底为不同材料时，所述反光层的厚度小于2μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述绝缘层的表面粗糙程度小于2nm，所述绝缘层的太阳辐射反射系数大于0.55。
6.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，当所述绝缘层与所述反光层为不同材料时，所述绝缘层的厚度大于100nm，所述绝缘层的禁带宽度大于3.8eV。
7.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述层状二维铁电材料为单层或多层；所述层状二维铁电材料的厚度介于0.3nm～100nm之间，所述层状二维铁电材料的禁带宽度小于2.8eV。
8.根据权利要求1所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述层状二维铁电材料由In2Se3、Al2S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2S3或In2Te3中的一种或者几种材料构成。
9.根据权利要求8所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，其特征在于，所述层状二维铁电材料中掺杂Co、Fe或Mn元素。
10.一种基于应变调控抗辐射性能的调控方法，其特征在于，所述调控方法应用于上述权利要求1-9任意一项所述的一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元，所述调控方法包括：
利用高电压使层状二维铁电材料极化为单畴；
在第一电极和第二电极间施加微小电压测量得到电流值；
根据所述电流值识别光的强度；
根据所述光的强度控制柔性衬底1的弯曲半径；弯曲半径的范围在2cm～10cm之间。
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|---|---|---|---|
| CN202010349091.5A Active CN111521262B (zh) | 2020-04-28 | 2020-04-28 | 一种基于应变调控抗辐射性能的光探测单元及调控方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111521262B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113782633A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-10 | 湘潭大学 | 一种新型二维同质结及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170301385A1 (en) * | 2016-03-08 | 2017-10-19 | Junwei Liu | Apparatus and methods for memory using in-plane polarization |
| CN109950403A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-06-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法 |
| CN110118604A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法 |
-
2020
- 2020-04-28 CN CN202010349091.5A patent/CN111521262B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170301385A1 (en) * | 2016-03-08 | 2017-10-19 | Junwei Liu | Apparatus and methods for memory using in-plane polarization |
| CN109950403A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-06-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法 |
| CN110118604A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LEI TANG等: "Confined van der Waals Exitaxial Growth of Two-Dimensional Large Single-Crystal In2Se3 for Flexible Broadband Photodetectors", 《RESEARCH》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113782633A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-10 | 湘潭大学 | 一种新型二维同质结及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111521262B (zh) | 2022-09-02 |
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Legal Events
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