CN113945519A - 一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及温度探测领域,具体涉及一种高灵敏硅量子点‑二氧化钒温度探测器,敏感部件包括衬底、二氧化钒层、硅量子点层。应用时,连续谱光源照射硅量子点层,光探测器接收敏感部件的反射光谱。当环境温度变化时,二氧化钒层的折射率或介电常数发生变化,从而改变了硅量子点的共振波长和敏感部件的反射光谱,通过探测敏感部件的反射光谱变化,确定环境温度。本发明具有温度探测灵敏度高的优点,在温度的高灵敏探测领域具有良好的应用前景。

Description

一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器
技术领域
本发明涉及温度探测领域,具体涉及一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器。
背景技术
温度属于基础物理量,温度探测是工程技术中的基础。常规采用电学方法实现温度探测,例如利用热电偶、常规电阻变化、半导体电阻变化等实现温度探测。基于电学方法的温度探测中,虽然温度的量程宽,但是温度探测的灵敏度不高。例如,在热电偶温度探测器中,热电偶由两种不同材料的金属丝组成,两种丝材的一端焊接在一起,形成工作端,置于被测温度处;另一端为自由端,与测量仪表连接,形成闭合回路。当工作端与自由端的温度不同时,回路中就会出现热电动势,通过测量热电动势实现温度探测。虽然基于热电偶的温度探测器所探测的温度范围非常高,达到3000摄氏度,但是温度的分辨率比较低。
基于光学原理,特别是基于光纤的温度探测器不受环境电磁场的影响,受到广泛关注。在基于光学原理的温度探测中,典型的是基于迈克尔逊干涉仪的。例如,专利CN2048072234U提供了一种基于光纤空气环腔的迈克尔逊干涉仪的温度传感器,由入射光纤、空气环腔结构、石墨烯膜、金膜构成,空气环腔结构的两端分别与入射光纤和石墨烯膜相连接;石墨烯膜两端分别与空气环腔结构和金膜连接;入射光纤与空气环腔结构与石墨烯膜与金膜共同构成迈克尔逊干涉仪。由于一般材料的热膨胀系数小,导致迈克尔逊干涉仪的臂长或腔长改变小,导致温度探测的灵敏度也低。
发明内容
为解决以上问题,本发明提供了一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,包括衬底、二氧化钒层、硅量子点层;二氧化钒层置于衬底上,硅量子点层置于二氧化钒层上,硅量子点层包括周期排列的硅量子点。
更进一步地,二氧化钒层的厚度大于20纳米、小于100纳米。当环境温度变化时,二氧化钒层的折射率发生变化,从而改变硅量子点的吸收波长。
更进一步地,衬底的材料为二氧化硅。衬底用以支撑二氧化钒层。优选地,衬底为热的不良导体。
更进一步地,硅量子点的直径大于2纳米、小于10纳米。更进一步地,硅量子点的直径大于2纳米、小于6纳米,以便于硅量子点产生明显的量子限域效应。当硅量子点附近材料或环境的折射率改变时,硅量子点的共振波长产生显著的移动。
更进一步地,硅量子点为掺硼硅量子点,这样一来,在硅量子点中引入晶格畸变,在禁带中引入深能级,在反射峰中造成更深的反射谷,也就是导致更强的共振吸收。
更进一步地,硅量子点排布的周期为方形周期。相邻硅量子点之间的距离大于20纳米,以便于减少相邻硅量子点之间的影响。这样一来,硅量子点共振吸收的影响主要来自于硅量子点周围环境折射率变化,数据处理简单。
更进一步地,二氧化钒层表面设有凹坑,硅量子点置于凹坑内。这样一来,硅量子点与更多的二氧化钒材料接触,当二氧化钒层的折射率改变时,硅量子点周围环境改变更多,硅量子点的共振波长移动更多,从而实现更高灵敏度的温度探测。
更进一步地,硅量子点的直径大于凹坑的深度。也就是说,硅量子点部分地突出二氧化钒层,以便于硅量子点散射光。
更进一步地,硅量子点的顶部设有二氧化钒颗粒。当环境温度改变时,二氧化钒颗粒的折射率也发生改变,从而更多地改变硅量子点周围的介电环境,从而更多地改变硅量子点中的共振状态,从而更多地移动硅量子点的共振波长,从而实现更高灵敏度的温度探测。
更进一步地,二氧化钒颗粒置于硅量子点的顶部,便于应用电子束蒸发镀膜或热蒸发镀膜的方法制备二氧化钒颗粒。
本发明的有益效果:本发明提供了一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,敏感部件包括衬底、二氧化钒层、硅量子点层。应用时,连续谱光源照射硅量子点层,光探测器接收敏感部件的反射光谱。当环境温度变化时,二氧化钒层的折射率或介电常数发生变化,从而改变了硅量子点的共振波长和敏感部件的反射光谱,通过探测敏感部件的反射光谱变化,确定环境温度。在本发明中,二氧化钒层的折射率或介电环境显著依赖于温度、另外,硅量子点的尺寸小、内部的量子限域效应显著,当硅量子点附近环境的折射率发生变化时,其共振波长发生显著变化。因此,本发明具有温度探测灵敏度高的优点,在温度的高灵敏探测领域具有良好的应用前景。
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是一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器的示意图。
图2是又一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器的示意图。
图3是再一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器的示意图。
图中:1、衬底;2、二氧化钒层;3、硅量子点;4、二氧化钒颗粒。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器。如图1所示,该高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器包括衬底1、二氧化钒层2、硅量子点层。二氧化钒层2置于衬底1上,硅量子点层置于二氧化钒层2上,硅量子点层包括周期排列的硅量子点3。二氧化钒层2的厚度大于20纳米、小于100纳米。当环境温度改变时,二氧化钒层2的折射率发生改变,从而改变硅量子点3的光吸收特性,具体表现为改变硅量子点3的强吸收波长或共振吸收波长。衬底1的材料为二氧化硅。衬底1的材料也可以为其它材料。衬底1主要用来支撑二氧化钒层。在本发明中二氧化钒层2的厚度大于20纳米,二氧化钒层2能够阻挡入射光,对选择衬底1材料的限制较为小。衬底1还可以为其他弹性材料或粘性材料,用以将本发明粘附在其他器件的表面。优选地,衬底1为热的不良导体,防止二氧化钒层2吸附的热通过衬底1传递给器件表面。硅量子点3的直径大于2纳米、小于10纳米。硅量子点3的形状为球形。更进一步地,硅量子点3的直径大于2纳米、小于6纳米,以便于硅量子点3产生明显的量子限域效应。当硅量子点3附近材料或环境的折射率改变时,硅量子点3的共振波长产生显著的移动。硅量子点3排布的周期为方形周期。相邻硅量子点3之间的距离大于20纳米,以便于减少相邻硅量子点3之间的影响。这样一来,硅量子点3共振吸收的影响主要来自于硅量子点3周围环境折射率变化,数据处理简单。
在本发明中,敏感部件包括衬底1、二氧化钒层2、硅量子点层。应用时,连续谱光源照射硅量子点层,光探测器接收敏感部件的反射光谱。光源和光探测器的光谱范围覆盖可见光区域,用以测量不同波长光的反射。当环境温度变化时,二氧化钒层2的折射率或介电常数发生变化,从而改变了硅量子点3的共振波长和敏感部件的反射光谱,通过探测敏感部件的反射光谱变化,确定环境温度。在本发明中,二氧化钒层2的折射率或介电环境显著依赖于温度;另外,硅量子点3的尺寸小、内部的量子限域效应显著,当硅量子点3附近环境的折射率发生变化时,其共振波长发生显著变化。因此,本发明具有温度探测灵敏度高的优点,在温度的高灵敏探测领域具有良好的应用前景。
在本发明中,将光源、光探测器、敏感部件组合成一个装置。光源和光探测器固定在装置的外壳上。敏感元件置于外壳的底部。光源发出连续谱激光,连续谱激光照射敏感部件,敏感部件反射连续谱激光,光探测器接收反射的连续谱激光,形成反射光谱。
二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物,相变前后微观结构发生变化,从而导致其折射率或介电常数发生变化。由于上述相变是可逆的,所以二氧化钒非常适合用于温度探测器。
本发明采用硅量子点3,通过二氧化钒折射率或介电常数的变化改变硅量子点3的共振波长。因为硅量子点3的尺寸小,一般小于10nm,其共振更容易受到外界环境的影响,也就是硅量子点3的共振波长对周围的环境更敏感。因此,相对于贵金属颗粒,本发明应用硅量子点3能够实现更高灵敏度的温度探测。
对于本发明,在制备时,首先在衬底1上制备二氧化钒层2,二氧化钒层2的制备方法可以采用物理气相沉积的方法,然后在二氧化钒层2上设置硅量子点3。由于物理气相沉积制备二氧化钒层2和硅量子点3的制备技术都属于成熟技术,所以本发明具有制备方法简单的优点。
实施例2
在实施例1的基础上,硅量子点3为掺硼硅量子点。这样一来,在硅量子点3中引入晶格畸变,在禁带中引入深能级,在反射峰中造成更深的反射谷,也就是导致更强的共振吸收,也就是在反射光谱中形成更深的谷,减小了谷信号的半峰宽,提高了探测灵敏度。更进一步地,掺硼硅量子点未经过退火处理,也就是说掺硼硅量子点的表面未经钝化,这样一来,降低了掺硼硅量子点中载流子表面复合的几率,该几率更容易受到掺硼硅量子点周围环境的影响。因此,当环境温度改变时,掺硼硅量子点的共振波长移动更多,从而实现更高灵敏度的温度探测。
实施例3
在实施例1的基础上,如图2所示,二氧化钒层2表面设有凹坑,硅量子点3置于凹坑内。硅量子点3的直径大于凹坑的深度。这样一来,硅量子点3与更多的二氧化钒材料接触,当二氧化钒层2的折射率改变时,硅量子点3周围环境改变更多,硅量子点3的共振波长移动更多,从而实现更高灵敏度的温度探测。硅量子点3的直径又大于凹坑的深度,以便于硅量子点3部分地突出二氧化钒层2,以便于硅量子点3散射光。在本实施例中,二氧化钒层2表面设有凹坑,二氧化钒层2与硅量子点3构成的复合结构具有更多的表面积,容易从环境吸收更多的热。因此,本实施例具有更高的温度探测灵敏度。
在本实施例中,凹坑可以由离子束刻蚀的方法制备而得。
在本实施例中,凹坑可以由电子束蒸发沉积、倾斜角入射方法制备而得。也就是说,制备二氧化钒层2时,应用电子束蒸发沉积的方法,首先衬底1的法线沿竖直方向,沉积薄膜;然后旋转衬底1,应用一定的倾斜角沉积二氧化钒层2,这样在即可在二氧化钒层2表面形成不规则的凸起,由于硅量子点3的尺寸小,相对于硅量子点3,相邻凸起之间形成凹坑,用以设置硅量子点3。这样制备凹坑的方法不仅简单,而且与硅量子点3具有更多的接触面积。当环境温度变化时,硅量子点3周围的介电环境改变更多,从而实现更高灵敏度的温度探测。
实施例4
在实施例3的基础上,如图3所示,硅量子点3的顶部设有二氧化钒颗粒4。二氧化钒颗粒4置于硅量子点3的顶部。当环境温度改变时,二氧化钒颗粒4的折射率也发生改变,从而更多地改变硅量子点3周围的介电环境,从而更多地改变硅量子点3中的共振状态,从而更多地移动硅量子点3的共振波长,从而实现更高灵敏度的温度探测。二氧化钒颗粒4置于硅量子点3的顶部,便于应用电子束蒸发镀膜或热蒸发镀膜的方法制备二氧化钒颗粒4。二氧化钒颗粒4的尺寸小于硅量子点3的直径,以免二氧化钒颗粒4较多地降低硅量子点3在竖直方向的光散射,从而降低反射光的强度,增加了光探测的难度。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于,包括衬底、二氧化钒层、硅量子点层;所述二氧化钒层置于所述衬底上,所述硅量子点层置于所述二氧化钒层上,所述硅量子点层包括周期排列的硅量子点;应用时,连续谱光源照射硅量子点层,通过探测硅量子点层的反射光谱变化,确定环境温度。
2.如权利要求1所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述二氧化钒层的厚度大于20纳米、小于100纳米。
3.如权利要求1所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述衬底的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述硅量子点的直径大于2纳米、小于10纳米。
5.如权利要求1所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述硅量子点为掺硼硅量子点。
6.如权利要求1所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述硅量子点排布的周期为方形周期。
7.如权利要求1-6任一项所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述二氧化钒层表面设有凹坑,所述硅量子点置于所述凹坑内。
8.如权利要求7所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述硅量子点的直径大于所述凹坑的深度。
9.如权利要求8所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述硅量子点的顶部设有二氧化钒颗粒。
10.如权利要求9所述的高灵敏硅量子点-二氧化钒温度探测器,其特征在于:所述二氧化钒颗粒置于所述硅量子点的顶部。
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