CN113624347B - 超构材料吸波体长波红外焦平面 - Google Patents
超构材料吸波体长波红外焦平面 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113624347B CN113624347B CN202110796801.3A CN202110796801A CN113624347B CN 113624347 B CN113624347 B CN 113624347B CN 202110796801 A CN202110796801 A CN 202110796801A CN 113624347 B CN113624347 B CN 113624347B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- resonator
- wavelength
- focal plane
- plasmon resonance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 50
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 44
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 35
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 20
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 54
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 6
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/0205—Mechanical elements; Supports for optical elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/58—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using absorption; using extinction effect
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：谐振器层、介质层、金属层；所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；采用相应的谐振器形状和结构尺寸来实现宽带吸收，窄带吸收，多波长吸收，偏振选择吸收等功能。将超材料吸波体集成在红外焦平面上不仅可以提高其吸收率，还可以为红外焦平面带来更多的功能。
Description
技术领域
本发明涉及非制冷红外成像领域，具体设计一种超构材料吸波体长波红外焦平面。
背景技术
非制冷红外探测技术是无需制冷系统对入射红外辐射感知并将其转化为电学输出的技术，在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境监测等领域得到广泛应用。微测辐射热计是最广泛使用的非制冷红外探测技术，具有成本低，功耗小，响应快等特点。微测辐射热计的工作原理是基于入射光引起的热敏材料在温度变化时电阻值发生相应变化。工作时在热敏材料两端加上偏置电压使得这种电阻值变化转化为电学输出，实现红外探测。因此其灵敏度和探测波段决定于吸收波长。而作为热敏电阻的氧化钒，非晶硅等在长波红外的吸收率较低且其表面具有较高的反射率。通常采用在热敏电阻层上当集成氮化硅吸收层的方式来获得较高的吸收率，但是在氮化硅吸收层的本征吸收波段范围之外，吸收率仍然较低且难以提升。
如图1所示，传统的焦平面结构一般由吸收层（传统的焦平面没有谐振器），热敏电阻层，支撑层以及位于四分之一波长空气腔下方的金属反射层组成。由于热敏电阻在红外波段的吸收率很低，因此需要采用较厚的氮化硅来充当吸收层，为了得到较高的吸收率，还需要四分之一波长的空气腔和下方的金属反射层来组成谐振腔。谐振腔的厚度一般在2微米以上，制备难度较高且机械强度较差。另一方面氮化硅的本征吸收峰在10-12微米之间，在这个波长区间之外，其吸收率很快地降低，因此传统的焦平面的探测波长被限制在这个波长区间内。本发明提供一种集成超材料吸波体的红外焦平面结构可以完美解决以上两个问题。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，而提出了一种超构材料吸波体长波红外焦平面；
超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：谐振器层、介质层、金属层；
所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；
所述的等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；
两种类型的表面等离激元谐振都可以引起完美的吸收，但受几何参数调控的方式不一样；其中传播型表面等离激元谐振受结构周期调控，变化规律符合公式：
这里，即/>；传播型表面等离激元谐振波长随着结构周期增大红移；对于局域型表面等离激元谐振，则可以用等效电路模型进行解释： />
这里λ为局域型表面等离激元谐振波长，L和C分别代表超构材料吸波体的电感和电容，w代表谐振器的有效长度；局域型表面等离激元谐振波长与谐振器的有效长度正相关；
所述的谐振器是由表面图形化的亚波长周期性金属谐振器阵列组成；
所述的介质层为热敏电阻层或支撑层；
所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，还包括：热敏电阻层；
所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，所述热敏电阻层上方设有吸收层；
所述的超构材料吸波体长波红外焦平面的下方还设有空气腔；
所述的空气腔下方为金属反射层；
所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：钛十字形谐振器层，锗介质层，钛金属层，氮化硅绝缘层，非晶硅热敏电阻层以及氮化硅支撑层；谐振器层20~1000nm，锗介质层10~1000nm，钛金属层10~1500nm，氮化硅绝缘层10~100nm，非晶硅热敏电阻层10~800nm，氮化硅支撑层10~1000nm；钛十字形谐振器的周期为0.8~4.4μm,长度为0.5~2.5μm，宽度为0.05~1μm；
超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：钛十字形谐振器层，氮化硅绝缘层，非晶硅热敏电阻层，氮化硅绝缘层，钛金属层以及氮化硅支撑层；钛十字形谐振器层50~200nm，氮化硅绝缘层80~150nm，非晶硅热敏电阻层60~100nm，氮化硅绝缘层10~50nm，钛金属层10~50nm以及氮化硅支撑层100~200nm；钛十字形谐振器的周期为0.8~3μm,长度为1~2μm，宽度为0.1~1μm；
超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：非晶硅热敏电阻层，氮化硅绝缘层，圆形钛谐振器层，氮化硅和锗的复合介质层，铝金属层；非晶硅热敏电阻层60~100nm，氮化硅绝缘层10~50nm，钛谐振器50~80nm，氮化硅/锗介质层100~600nm，铝金属层10~50nm；钛圆形谐振器的周期为1.2~4μm,直径为0.4~3μm；
第一， 传统的焦平面只能实现在吸收层材料本征吸收波长处的较高吸收，而集成超材料吸波体的焦平面可以实现宽谱范围内的完全吸收，大大提高焦平面的探测性能。
第二， 集成超材料吸波体的焦平面仅需要吸波体结构就可以实现完美吸收，支撑桥腿不需要满足四分之一波长的高度，可以采用更小的高度来获得更高的机械稳定性。
第三， 超材料吸波体可以通过设计其谐振器的几何参数来实现波长选择吸收，偏振选择吸收，窄带吸收，多峰吸收等，传统的焦平面往往需要配置偏振片或滤波片才能实现这些功能，集成了表面等离激元谐振器的焦平面可以大大简化系统的复杂度并实现更丰富的探测功能。
本发明提供了一种超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：谐振器层、介质层、金属层；所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；采用相应的谐振器形状和结构尺寸来实现宽带吸收，窄带吸收，多波长吸收，偏振选择吸收等功能。将超材料吸波体集成在红外焦平面上不仅可以提高其吸收率，还可以为红外焦平面带来更多的功能。
附图说明
图1为现有焦平面结构示意图；
图2为本发明超材料吸波体表面谐振器的形状示意图；
图3为本发明超材料吸波体直接集成在镀有绝缘层的热敏电阻层之上的焦平面结构示意图；
图4为本发明热敏电阻层来充当超材料吸波体结构的介质层的焦平面结构示意图；
图5为本发明热敏电阻层集成在超材料吸波体结构的上方的焦平面结构示意图；
图6为具体实施例6示意图；
图7为本发明具体实施例6吸收谱；
图8为具体实施案例7示意图；
图9为本发明具体实施例7吸收谱；
图10为具体实施例8示意图；
图11为本发明具体实施例8吸收谱。
具体实施方式
实施例1一种超构材料吸波体（超构材料吸波体长波红外焦平面）
一种超构材料吸波体结构，由上到下，包括：谐振器阵列的谐振器层，介质层，金属层三层结构；
谐振器是由金属或类金属材料，表面图形化的亚波长周期性结构；
即超构材料吸波体是由表面图形化的亚波长周期性金属谐振器阵列组成的金属-介质层-金属三层结构，可以实现在特定波段的完美吸收；
谐振器的金属材料通常可以选择钛、铝、铜、金、银、铂、镍等；
超材料吸波体的厚度通常只有工作波长的十分之一或者几十分之一，表面图形化的亚波长周期性金属谐振器谐振器可以与特定波长的入射光耦合并激发的表面等离激元谐振，将入射光局限在亚波长尺度内，并最终将入射光的能量以金属的欧姆损耗或介质损耗的形式转化为热能；
超材料吸波体的工作波长和吸收性能可以通过其几何参数来调整，因此可以通过采用合适的谐振器形状和结构尺寸来实现宽带吸收，窄带吸收，多波长吸收，偏振选择吸收等功能；将超材料吸波体集成在红外焦平面上不仅可以提高其吸收率，还可以为红外焦平面带来更多的功能。
根据集成方式的不同，超材料吸波体集成在红外焦平面上可以得到三种结构，下面根据图示进行说明。
实施例2超构材料吸波体长波红外焦平面
参见图3所示，超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：谐振器层、介质层、金属层、绝缘层、热敏电阻层、支撑层、空气腔、金属反射层；
该超构材料吸波体长波红外焦平面的结构是去掉焦平面原有的吸收层，将超材料吸波体直接集成在焦平面的上方；
入射到焦平面上的红外辐射被上方的吸波体结构直接吸收，宽谱范围内的红外辐射被吸波体结构完全吸收并转化为热能，热量经由电绝缘层传导到热敏电阻层并最终转化为电信号读出；由于入射光被最上层的吸波体结构直接吸收，不需要空气腔的来回反射，因此空气腔的厚度可以降低以增加机械强度，位于读出电路板上的金属反射层也可以去掉。
实施例3超构材料吸波体长波红外焦平面
参见图4所示，超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：谐振器层、绝缘层、热敏电阻层、绝缘层、金属层、支撑层、空气腔、金属反射层；
该超构材料吸波体长波红外焦平面的结构是由：谐振器层，两个绝缘层，热敏电阻层以及下方的金属层共同组成了超材料吸波体；
本实例的技术方案的谐振器和金属层可以采用损耗较低的金属，使得入射光的转化的热量集中在热敏电阻层中；当红外辐射入射到焦平面上，与谐振器耦合激发表面等离激元谐振，入射磁场被集中在热敏电阻层中并在热敏电阻层中直接转化为热能；入射光的能量没有经过其他结构的传导最大限度地被热敏电阻层吸收，因此可以有效提高探测性能。
实施例4超构材料吸波体长波红外焦平面
参见图5所示，超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：热敏电阻层，绝缘层，谐振器层，介质层，金属层；
该超构材料吸波体长波红外焦平面的结构是去掉原有的吸收层和支撑层，将热敏电阻层集成在超材料吸波体结构的上方，原来的支撑层材料作为超材料吸波体的介质层；超材料吸波体及上方的绝缘层作为焦平面的支撑层；
入射的红外辐射经由热敏电阻层和绝缘层透射到超材料吸波体的谐振器表面，激发表面等离激元谐振并被超材料吸波体完全吸收；通过选取损耗小的金属层和损耗高的谐振器层，可以使得入射光在谐振器层中集中地被转化为热量，并经由绝缘层快速地传导到热敏电阻层。同时，这种方案得到的焦平面的厚度也比较小。
实施例5谐振器阵列的几何参数调控
谐振器阵列的几何参数调控，是由谐振器阵列调控表面等离激元谐振波长以及响应带宽，即表面等离激元谐振波长以及响应带宽由谐振器阵列的几何参数调控，因此可以通过选用合适的谐振器形状和尺寸来获得目标波段的完美吸收，宽谱吸收，偏振选择吸收，偏振不敏感吸收等特性。对于一个特定的谐振器结构，其可以激发额表面等离激元谐振分为两种类型，一种是传播型表面等离激元谐振，一种是局域型表面等离激元谐振；两种类型的表面等离激元谐振都可以引起完美的吸收，但受几何参数调控的方式不一样；其中传播型表面等离激元谐振受结构周期调控，变化规律符合公式：
这里，即/>；传播型表面等离激元谐振波长随着结构周期增大红移；对于局域型表面等离激元谐振，则可以用等效电路模型进行解释： />
这里L和C分别代表超构材料吸波体的电感和电容，w代表谐振器的有效长度；局域型表面等离激元谐振波长与谐振器的有效长度正相关；可以采用的谐振器形状包括但不限于图2给出的示例；为了在长波红外实现表面等离激元谐振，谐振器的几何尺寸可以设置的范围为，周期为100nm~6μm，宽度为0.1~5μm，厚度为10nm~2μm。
实施例6超构材料吸波体长波红外焦平面（集成超材料吸波体结构的非制冷红外焦平面）
参见图6、图7所示，超构材料吸波体长波红外焦平面（集成超材料吸波体结构的非制冷红外焦平面），该结构由上到下依次为：钛十字形谐振器层，锗介质层，钛金属层，氮化硅绝缘层，非晶硅热敏电阻层以及氮化硅支撑层；
本实施例中的谐振器层20~1000nm，锗介质层10~1000nm，钛金属层10~1500nm，氮化硅绝缘层10~100nm，非晶硅热敏电阻层10~800nm，氮化硅支撑层10~1000nm；
所述的钛十字形谐振器的周期为0.8~4.4μm,长度为0.5~2.5μm，宽度为0.05~1μm；
入射到焦平面上的红外辐射首先与谐振器发生耦合，激发表面等离激元谐振，入射光的电场和磁场被局限在吸波体中；在钛谐振器以及钛金属层中形成的反向电流使得入射光的能量以欧姆损耗的形式转化为热能；然后，热量经由氮化硅绝缘层传导到非晶硅热敏电阻层中，引起热敏电阻的阻值变化并最终转化为电信号读出，完成探测。超材料吸波体不仅提供了宽谱的入射光完美吸收，还具有极高的光热转化效率；使得焦平面不仅可以探测到宽光谱范围的高探测率；
图7中所示，其中虚线代表了没有超材料吸波体的焦平面的吸收谱，实线代表了集成了超材料吸波体的焦平面的吸收谱；这里现有焦平面的结构为200nm氮化硅吸收层，100nm非晶硅热敏电阻层，150nm氮化硅支撑层；可以看到，现有焦平面只有一个吸收峰，位于11.5μm波长处。在氮化硅本征吸收波长外，吸收谱下降明显，8μm波长处的吸收率下降到了10%；不同于原有结构的单峰吸收，我们提出的焦平面结构在整个长波红外谱段都具有较高的吸收率，两个等离激元谐振吸收峰处的吸收率达到了97%以上。在8μm处，吸收率由原来的不到10%提高到了90%，提升了9倍，在8~14μm波段内的平均吸收率达到了94%以上。
实施例7超构材料吸波体长波红外焦平面
参见图8、图9所示，超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：钛十字形谐振器层，氮化硅绝缘层，非晶硅热敏电阻层，氮化硅绝缘层，钛金属层以及氮化硅支撑层；
本实施例中，各层的厚度分别为：钛十字形谐振器层50~200nm，氮化硅绝缘层80~150nm，非晶硅热敏电阻层60~100nm，氮化硅绝缘层10~50nm，钛金属层10~50nm以及氮化硅支撑层100~200nm；
所述的钛十字形谐振器的周期为0.8~3μm,长度为1~2μm，宽度为0.1~1μm；
入射到焦平面上的红外辐射首先与谐振器发生耦合，激发表面等离激元谐振，入射光的电场和磁场被局限在吸波体中。在钛谐振器以及钛金属层中形成的反向电流使得入射光的能量以欧姆损耗的形式转化为热能。然后，热量经由氮化硅绝缘层传导到非晶硅热敏电阻层中，引起热敏电阻的阻值变化并最终转化为电信号读出，完成探测；
如图9实线所示，吸收谱覆盖了长波波段，在7.5~15μm波长区间内的吸收率保持在80%以上，在长波红外的平均吸收率达到了90%以上；在8μm波长处，吸收率较现有焦平面结构提高了8倍以上。
实施例8超构材料吸波体长波红外焦平面
参见图10、图11所示，超构材料吸波体长波红外焦平面，该结构由上到下依次为：非晶硅热敏电阻层，氮化硅绝缘层，圆形钛谐振器层，氮化硅或者锗的介质层，铝金属层；
本实施例中，各层的厚度分别为：非晶硅热敏电阻层60~100nm，氮化硅绝缘层10~50nm，钛谐振器50~80nm，氮化硅/锗介质层100~600nm，铝金属层10~50nm；
所述的钛圆形谐振器的周期为1.2~4μm,直径为0.4~3μm；
入射到焦平面的红外辐射穿透非晶硅热敏电阻层，一小部分被氮化硅绝缘层吸收。大部分入射到钛谐振器表面，激发表面等离激元谐振，被圆形钛谐振器-氮化硅/锗介质层-铝金属层组成的超构材料吸波体吸收并转化成热量。热量通过氮化硅绝缘层传递到非晶硅热敏电阻层引起电阻变化，并最终转化为电信号读出，完成探测；
如图11实线所示，其在8~14μm波段的吸收保持在90%以上，平均吸收率达到了94%。在8μm波长处，吸收率较现有焦平面结构提高了9倍以上。
Claims (5)
1.超构材料吸波体长波红外焦平面，包括：由上到下依次为热敏电阻层、绝缘层、谐振器层、介质层、金属层，其特征在于：
所述的谐振器层为谐振器阵列亚波长周期性结构，产生等离激元谐振，为金属或类金属材料；
所述的等离激元谐振为传播型表面等离激元谐振或局域型表面等离激元谐振；
所述的传播型表面等离激元谐振受结构周期调控，变化规律符合公式：
；
这里，即/>；传播型表面等离激元谐振波长随着结构周期增大红移；
所述的局域型表面等离激元谐振，则可以用等效电路模型进行解释：
；
这里L和C分别代表超构材料吸波体的电感和电容，w代表谐振器的有效长度；局域型表面等离激元谐振波长与谐振器的有效长度正相关。
2.根据权利要求1所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，其特征在于：所述的谐振器是由表面图形化的亚波长周期性金属谐振器阵列组成。
3.根据权利要求2所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，其特征在于：所述的超构材料吸波体长波红外焦平面的下方还设有空气腔。
4.根据权利要求3所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，其特征在于：所述的空气腔下方为金属反射层。
5.根据权利要求1所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，其特征在于：所述的超构材料吸波体长波红外焦平面，由上到下依次为：非晶硅热敏电阻层，氮化硅绝缘层，圆形钛谐振器层，氮化硅和锗的复合介质层，铝金属层；所述的非晶硅热敏电阻层60~100nm，氮化硅绝缘层10~50nm，钛谐振器50~80nm，氮化硅/锗介质层100~600nm，铝金属层10~50nm；钛圆形谐振器的周期为1.2~4μm,直径为0.4~3μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110796801.3A CN113624347B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 超构材料吸波体长波红外焦平面 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110796801.3A CN113624347B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 超构材料吸波体长波红外焦平面 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113624347A CN113624347A (zh) | 2021-11-09 |
| CN113624347B true CN113624347B (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=78379735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110796801.3A Active CN113624347B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 超构材料吸波体长波红外焦平面 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113624347B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114964512A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-08-30 | 北京中科海芯科技有限公司 | 一种微测辐射热计、制作方法及红外探测器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103575407A (zh) * | 2012-07-18 | 2014-02-12 | 北京大学 | 一种太赫兹辐射探测器 |
| CN103968957A (zh) * | 2013-02-01 | 2014-08-06 | 三星电子株式会社 | 红外探测器 |
| CN109813446A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种复合吸收膜层非制冷红外焦平面及制作方法 |
| CN109813447A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法 |
| CN110118605A (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 | 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 |
| 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 |
| CN110332998A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-10-15 | 华中科技大学 | 超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101902920B1 (ko) * | 2012-12-11 | 2018-10-01 | 삼성전자주식회사 | 광대역 표면 플라즈몬 공진기를 포함하는 적외선 검출기 |
| KR101910573B1 (ko) * | 2012-12-20 | 2018-10-22 | 삼성전자주식회사 | 광대역 광 흡수체를 포함하는 적외선 검출기 |
-
2021
- 2021-07-14 CN CN202110796801.3A patent/CN113624347B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103575407A (zh) * | 2012-07-18 | 2014-02-12 | 北京大学 | 一种太赫兹辐射探测器 |
| CN103968957A (zh) * | 2013-02-01 | 2014-08-06 | 三星电子株式会社 | 红外探测器 |
| CN109813446A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种复合吸收膜层非制冷红外焦平面及制作方法 |
| CN109813447A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法 |
| CN110118605A (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 | 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 |
| 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 |
| CN110332998A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-10-15 | 华中科技大学 | 超构材料非制冷红外焦平面多色偏振探测器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Plasmonics for improved photovoltaic devices;Harry A. Atwater and Albert Polman;Nature Materials;第9卷;205-213 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113624347A (zh) | 2021-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2732253B1 (en) | Microbolometer array with improved performance | |
| US9243959B2 (en) | Infrared detector including broadband light absorber | |
| CN111947788B (zh) | 红外探测器及其制备方法 | |
| CN111947787B (zh) | 红外探测器及其制备方法 | |
| US9121761B2 (en) | Infrared detectors | |
| CN111525023A (zh) | 红外探测器及其制备方法 | |
| CN109813447A (zh) | 集成宽带人工表面的非制冷红外焦平面及制作方法 | |
| CN111952394B (zh) | 红外探测器及其制备方法 | |
| CN110118604B (zh) | 基于混合谐振模式的宽光谱微测辐射热计及其制备方法 | |
| CN113447146B (zh) | 一种台阶型红外探测器 | |
| CN113447141B (zh) | 一种基于cmos工艺的红外微桥探测器 | |
| CN113624347B (zh) | 超构材料吸波体长波红外焦平面 | |
| CN109813446A (zh) | 一种复合吸收膜层非制冷红外焦平面及制作方法 | |
| US11828911B1 (en) | Metamaterial absorber integrated long-wave infrared focal plane array (LWIRFPA) | |
| CN113447140B (zh) | 一种cmos红外微桥探测器 | |
| JP2001272271A (ja) | 赤外線センサ | |
| CN113447150B (zh) | 一种微桥结构红外探测器 | |
| CN113432727B (zh) | 一种非制冷实心焦平面探测器 | |
| CN113432726B (zh) | 一种具有组合柱状结构的红外探测器 | |
| CN113432728B (zh) | 一种单层空心红外微桥探测器 | |
| CN113447143B (zh) | 一种热对称型红外探测器 | |
| CN113447142A (zh) | 一种加固型cmos红外探测器 | |
| Awad et al. | Design and optimization of microbolometer multilayer optical cavity | |
| CN113447147B (zh) | 一种具有实心柱的cmos红外探测器 | |
| CN113624348A (zh) | 一种集成表面等离激元谐振器的红外探测器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |