PL183653B1 - Detektor fotonowy i sposób wytwarzania detektora fotonowego - Google Patents

Abstract

1. Detektor fotonowy, z materialu o przewodnosci zale- znej od swiatla, który umieszczony jest pomiedzy elektrycz- nie przewodzacymi kontaktami, znamienny tym, ze material ten jest nanokrystalicznym zlozonym materialem skladajacym sie z odseparowanych metalicznych prze- wodzacych krystalitów (1), izolowanych od siebie, wbudo- wanych w nie przewodzaca matryce (2), przy czym odleglosc pomiedzy krystalitami (1) jest mniejsza niz sred- nica krystalitu (1) a maksymalny rozmiar krystalitu (I) wy- nosi 4 nm. 5. Sposób wytwarzania detektora fotonowego z mate- rialu o przewodnosci zaleznej od swiatla umieszczonego po- miedzy elektrycznie przewodzacymi kontaktami, znamienny tym, ze nanokrystaliczny zlozony material skladajacy sie z odseparowanych przewodzacych meta- licznych krystalitów (1) izolowanych od siebie, wbudowa- nych w nie przewodzaca matryce (2), nanosi sie na podloze metoda osadzania w temperaturze podloza pomiedzy 0°C a 100°C, za pomoca wiazki molekularnej, przy czym jako mate- rial wyjsciowy zastosowany jest co najmniej jeden metaloor- ganiczny zwiazek, który jest adsorbowany na powierzchni przy wysokim cisnieniu jego pary. Fig. 1 PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy detektora fotonowego, i sposobu wytwarzania takiego detektora. Znanych jest wiele różnych rodzajów przyrządów do detekcji światła lub fotonów, przyrządów takich jak fotokomórki, w których w wysoko próżniowym naczyniu fotony powodują emisję elektronów z fotokatody, lub przyrządy półprzewodnikowe w których zmiana rezystancji pod wpływem światła zamieniana jest na sygnały elektryczne. Przykłady znanych detektorów fotonowych opisane są między innymi w publikacji Photondetektoren fur UV L. Struder, Kemmer, “Neuartige Detektoren fur die Rontgen-Astrophysik,” Phys.BL.52 (1996)21, “MOS-CCD-Kameras der Elektronik-Industrien, Firmenkataloge oraz w Photo-Widerstande z Halbleitermaterial: J. C. Gammel, H. Ohno, J. M. Ballantyne, “High Speed Photoconductive detectors using Ga InAs”, IEEE j. Quant. Electr. QE-17 (1981) 269-272.

Niektóre ze znanych przyrządów reagują opóźnieniem na podające światło, inne wymagają dużego natężenia światła lub ich produkcja jest droga.

183 653

Z patentu US 5.446.286 znany jest również bardzo szybki sensor wykonany z domieszkowanych nanokrystalitów. Jednak, pożądana czułość fotoelektryczna tego detektora osiągana jest tylko dla promieniowania X (rentgenowskiego) i UV (ultrafioletowego). Ponadto, w niemieckim patencie No. DE 42 34 671 opisano produkcję matrycy nanokrystalitów przeznaczonych dla różnych sensorów, przy czym nanokrystality te nie są od siebie izolowane. Nie uzyskano wystarczającej czułości fotoelektrycznej.

Złożony nanokrystaliczny materiał jest opisany na przykład w J. B. Pendry, Journal ofModem Optics, Vol 42, No. 2 (February 1994), 209.

Celem prezentowanego wynalazku jest przedstawienie fotonowego detektora, który wytwarza mierzalny sygnał w przypadkach nawet bardzo małych natężeń padającego światła oraz wykazanie, że taki detektor może być wyprodukowany w prostych procesach.

Ten cel jak i inne cele tego wynalazku, wyjaśnione w dalszej dyskusji, osiągnięto dzięki temu, że materiał jest złożonym nanokrystalicznym materiałem.

Dobre efekty zapewnia to, że ten złożony nanokrystaliczny materiał jest tworzony z odseparowanych krystalitów metalu szlachetnego, zwanych krystalitami metalu szlachetnego, wbudowanych w matrycę z materiału o niskiej przewodności i/lub, że rozmiar krystalitu jest rzędu kilku nanometrów.

Detektor fotonowy według tego wynalazku ma tą zaletę, że jego wytwarzanie nie wymaga materiału wyjściowego o właściwościach półprzewodnika, takich jak ekstremalnie czysty krzem. Nie trzeba też korzystać z techniki litograficznej o bardzo wysokiej dokładności.

Złożony nanokrystaliczny materiał może być nałożony na jakąkolwiek izolującą substancję, takąjak kwarc. Wszystko co jest potrzebne to struktura przewodząca w celu pomiaru prądu wywołanego przez fotony. Poza tym, nie ma potrzeby wykonywania kilku etapów procesu koniecznych w technologii półprzewodników i to powoduje, że produkcja detektora fotonowego według wynalazku, jest znacznie tańsza. Nawet minimalne ilości złożonego nanokrystalicznego materiału są wystarczające w celu detekcji fotonu.

Detektor fotonowy, z materiału o przewodności zależnej od światła, który umieszczony jest pomiędzy elektrycznie przewodzącymi kontaktami, charakteryzuje się tym, że materiał ten jest nanokrystalicznym złożonym materiałem składającym się z odseparowanych metalicznych przewodzących krystalitów, izolowanych od siebie, wbudowanych w nie przewodzącą matrycę, przy czym odległość pomiędzy krystalitamijest mniejsza niż średnica krystalitu. Korzystnie krystality są metalami szlachetnymi, korzystnie wybranymi z grupy zawierającej platynę i złoto.

Detektor fotonowy charakteryzuje się również tym, że maksymalny rozmiar krystalitu wynosi cztery nanometry.

Detektor, według wynalazku charakteiyzuje się tym, że krystality zawierają silnie skwantowany zerowymiarowy gaz elektronowy. Sposób wytwarzania detektora fotonowego z materiału o przewodności zależnej od światła umieszczonego pomiędzy elektrycznie przewodzącymi kontaktami charakteryzuje się tym, że nanokrystaliczny złożony materiał składający się z odseparowanych przewodzących metalicznych krystalitów izolowanych od siebie, wbudowanych w nie przewodzącą matrycę, nanosi się na podłoże metodą osadzania z wykorzystaniem wiązki molekularnej, przy czym jako materiał wyjściowy zastosowany jest co najmniej jeden metaloorganiczny związek, który jest adsorbowany na powierzchni przy wysokim ciśnieniu jego p^ary· . . .

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że metaloorganiczne warstwy adsorbowane na powierzchni podłoża poddawane są wysokoenergetycznemu bombardowaniu wiązkami korpuskulamymi, przy pomocy aparatury wykorzystującej wiązkę molekularną w próżni przekształcając się w nanokrystaliczne związki.

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że podczas bombardowania temperatura podłoża jest pomiędzy 0°C a 100°C. Sposób korzystnie charakteryzuje się również tym, że co najmniej jeden z metaloorganicznych związków zawiera metal szlachetny, korzystnie wybrany z grupy zawierającej platynę i złoto. Sposób korzystnie charakteryzuje się również tym, że materiałem wyjściowym do osadzania jest dwumetylo-trójfluorowy acetyloacetonian ze złotem.

183 653

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że jako wiązki korpuskulame zastosowane są wiązki elektronów o wysokiej energii.

Przykłady wykonania wynalazku są wyjaśnione dokładniej wponiższym opisie i są przedstawione na rysunku na którym fig. 1 jest schematycznym przedstawieniem dużej ilości monokryształów w złożonym nanokrystalicznym materiale, fig. 2 jest schematycznym przedstawieniem poziomów energii elektronu w krystalitach, w celu wyjaśnienia pochodzenia prądu zależnego od fotonu, fig. 3a jest przekrojem poprzecznym detektora fotonowego a fig. 3b jest widokiem z góry detektora fotonowego.

Figura 1 przedstawia schematycznie złożony nanokrystaliczny materiał takiego typu, jaki użyto w detektorze fotonowym według wynalazku. Dla przejrzystości rysunek bardzo uproszczono, przykładowo przez to, że pokazana jest jedna płaszczyzna i w tej płaszczyźnie jest usytuowana płaszczyzna krystalograficzna wszystkich przedstawionych krystalitów, co w rzeczywistości nie zachodzi.

Warstwy związków metaloorganicznych są nanoszone na podłoże - nie pokazane na fig. 1 - przy użyciu osadzania z wykorzystaniem wiązek korpuskulamych. W wyniku lokalnego lub o dużej powierzchni bombardowania, wiązkami korpuskulamymi o dużej gęstości energii, związki metaloorganiczne przemieniają się w substancje nanokrystaliczne, gdy podłoże jest w temperaturze pokojowej lub też w podwyższonej na przykład 100°C. Wzrost temperatury zwiększa intensywność parowania organicznych rodników powstających ze związków metalo organicznych podczas rozpadu cząsteczek i na skutek tego w mniejszym stopniu są one wbudowywane w warstwę nanokrystaliczną. To daje w wyniku szczególnie dobrze przewodzące krystality 1 o rezystywności zbliżonej do rezystywności czystych metali.

Krystality mają wymiar od 1 nm do 4 nm i składają się na przykład z 60θ atomów, które są przedstawione jako czarne kropki 3 na fig. 1. Krystality 1 są osadzone w matrycy 2, która jest utworzona z organicznych rodników i która jest całkowicie nie przewodząca.

Monokryształy zawierają silnie skwantowany zerowymiarowy gaz elektronowy (dzięki warunkom kwantowym stanów własnych elektronu). Z powodu rozmiarów nanokrystalitów i odstępów między nimi istnieje, zgodnie z teoriąMott'a, energia aktywacji potrzebna dla przejścia elektronów w wyniku hoppinguNNH (nearest neighbor hopping), nazwana energią aktywacji większą niż energia aktywacji w temperaturze pokojowej 20°C - która wynosi 27meV. Dla związków złota, wartość energii’ aktywacji wynosi od 20 meV do 60 meV a więc zależnie od rodzaju związku, jest mniejsza niż lub większa niż energia wzbudzenia w temperaturze pokojowej . Natomiast w przypadku związków zawierających platynę - wartość energii aktywacji przyj muje wartość od 120 meV a 240 meV zależnie od warunków wytwarzania.

Zgodnie z teorią przewodnictwa elektronowego przez VRH (variable range hopping), przewodność mierzona w różnych temperaturach zmienia się zgodnie z przebiegiem wykładniczym G=aT'^1/2.

Takie nanokrystaliczne metale w nie przewodzącej matrycy nie występują w naturze ale wytwarzane są w specjalnych warunkach osadzania z wykorzystaniem wiązki molekularnej.

Detektor fotonowy według wynalazku, może być uważany za materię przechłodzoną, ponieważ fotony w temperaturze pokojowej nie mają wystarczającej energii do wzbudzenia elektronu. Nie jest to możliwe w zerowymiarowym gazie nanokrystalitu z powodu dużych przerw zabronionych >27 meV, które są szczególnie duże w zakresie niskich stanów wzbudzenia. Natomiast, fotony promieniowania podczerwonego mająenergię wyższą niż 500 meV, więc z łatwością potrafią przenosić elektrony do stanów o wyższej energii, co zaznaczono na fig. 2 pionową strzałką. Elektrony na tych pasmach mają orbitale o średnicy większej niż te o niższej energii i dlatego jest łatwiej przenieść silnie wzbudzony elektron do najbliższego sąsiada przy przyłożeniu niskiego napięcia 5U, i w ten sposób uzyskać prąd fotoelektryczny lub spadek napięcia przy stałym prądzie.

Zjawisko to może być również wyjaśnione tym, że studnie potencjału 5 (fig. 2) nanokrystalitów są zaokrąglone od strony próżni lub sąsiedniego elementu przez siły występujące w zjawisku tunelowym. W konsekwencji, elektrony z wyższych stanów energetycznych (na przykład 8)

183 653 mogą tunelować do sąsiadującej studni tylko przez węższą barierę potencjału 6 niż w przypadku mocniej związanego elektronu (na przykład 7), co wyjaśnia wzrost prądu tunelowego. Wskutek tego, nanokrystaliczne złożone materiały reprezentują nową klasę niskoszumowych detektorów fotonowych, które mogąbyć wytwarzane w szczególnie prostych warunkach i nie wymagająmateriału półprzewodnikowego o dużej czystości jako materiału wyjściowego.

Detektor fotonowy według wynalazku, został wyprodukowany dla celów eksperymentalnych, ze złożonego nanokrystalicznego materiału w postaci drutu o długości 2μιη (mikrometry) i o przekroju 100 nm x 100 nm (nanometry). Jako materiału wyjściowego do osadzania użyto dwumetylo-trójfluorowego acetyloacetonianu ze złotem. Wyprodukowany w ten sposób detektor fotonowy, według wynalazku reagował na strumień fotonów tak mały jak ten emitowany przez żarówkę 60 W w odległości jednego metra. Detektory z większąpowierzchnią, o rozmiarze 2 μm x 2 pm, wykonane z materiału zawierającego platynę wykazująpodobne zmiany przewodności.

Nanokrystaliczne złożone materiały mogą być nanoszone na wszystkie izolacyjne materiały, takie jak szkło, kwarc, tworzywa sztuczne za pomocą techniki osadzania za pomocą wiązki molekularnej. Warstwy takie mogąbyć wykonywane zapomocąosadzania pojedynczymi wiązkami lub także przez źródło o dużej powierzchni kształtowanej maskami, tak jak w urządzeniach trawienia reaktywnego i w urządzeniach z wyładowaniem plazmowym lub także bez kształtowania powierzchni w urządzeniach z wyładowaniem gazowym. W ten sposób możliwe jest produkowanie detektorów fotonowych o dużej powierzchni charakteryzujących się dużą sprawnością i czułością. Takie warstwy mogąbyć zastosowane w systemach fotowoltaicznych w celu zamiany światła w energię elektryczną.

Jeśli dzięki odpowiedniemu wyborowi związków i materiałów wyjściowych i dobrania warunków osadzania zostaną wyprodukowane materiały z metastabilnymi stanami elektronowymi możliwe jest także wyprodukowanie materiałów (o formowanej i nie formowanej powierzchni) będących wyjściowymi materiałami dla laserów i wąskopasmowych źródeł światła i wprowadzenie ich w struktury, które mają ogromne znaczenie w dziedzinie optyki zintegrowanej i układów przełączania oraz systemów komputerowych wykorzystujących światło.

Ponieważ mechanizm przewodzenia oparty o hopping lub tunelowanie elektronów jest najszybszym ze sposobów poruszania się elektronów, fotonowe detektory wykonane ze złożonych materiałów są bardzo szybkie, odpowiadając wymaganiom optycznej komunikacji i obróbki sygnałów w zakresie GHz i powyżej.

Technika obliczeniowa wykorzystująca światło i kontrolowaną emisję światła o określonej sekwencji i długości impulsów wymaga szybkich detektorów. Fig. 3a i 3b pokazują detektor fotonowy, który stanowi jedną kropkę czujnika o dużej powierzchni, wchodzącego w skład urządzenia do rejestracji obrazu.

Figura 3a jest przekrojem poprzecznym, fig. 3b jest widokiem od tyłu. Detektor fotonowy jest w punkcie przecięcia dwóch iTO ścieżek przewodzących 11 i 12, które są oddzielone przez izolator 13. Warstwa dielektrycznego filtru koloru 14 jest naniesiona na powierzchnię warstwy światłoczułej 15 nanokrystalicznego złożonego materiału w kierunku padającego światła (strzałka). Z tyłu światłoczuła warstwa 15 jest pokryta dielektrycznym lustrem 16 w celu zabezpieczenia przed interferencją światła padającego od tyłu. Dielektryczne lustro 16 jest jedynie zaznaczone linią przerywaną na fig. 3b aby nie zaciemniać widoku warstwy światłoczułej 15.

Detektor fotonowy rozmieszczony w dużych ilościach w układzie matrycowym, służy do rejestracji obrazu.

Claims (10)

1. Detektor fotonowy, z materiału o przewodności zależnej od światła, który umieszczony jest pomiędzy elektrycznie przewodzącymi kontaktami, znamienny tym, że materiał ten jest nanokrystalicznym złożonym materiałem składającym się z odseparowanych metalicznych przewodzących krystalitów (1), izolowanych od siebie, wbudowanych w nie przewodzącą matrycę (2), przy czym odległość pomiędzy krystalitami (1) jest mniejsza niż średnica krystalitu (1) a maksymalny rozmiar krystalitu (1) wynosi 4 nm.

2. Detektor fotonowy według zastrz. 1, znamienny tym, że krystality (1) są metalami szlachetnymi.

3. Detektor fotonowy według zastrz. 2, znamienny tym, że metal szlachetnyjest wybrany z grupy zawierającej platynę i złoto.

4. Detektor fotonowy według zastrz. 1, znamienny tym, że krystality (1) zawierają silnie skwantowany zerowymiarowy gaz elektronowy.

5. Sposób wytwarzania detektora fotonowego z materiału o przewodności zależnej od światła umieszczonego pomiędzy elektrycznie przewodzącymi kontaktami, znamienny tym, że nanokrystaliczny złożony materiał składający się z odseparowanych przewodzących metalicznych krystalitów (1) izolowanych od siebie, wbudowanych w nie przewodzącą matrycę (2), nanosi się na podłoże metodą osadzania w temperaturze podłoża pomiędzy 0°C a 100°C, za pomocą wiązki molekularnej, przy czym jako materiał wyjściowy zastosowany jest co najmniej jeden metaloorganiczny związek, który jest adsorbowany na powierzchni przy wysokim ciśnieniu jego pary.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że metaloorganiczne warstwy absorbowane na powierzchni podłoża poddawane są wysokoenergetycznemu bombardowaniu wiązkami korpuskulamymi przekształcając się w nanokrystaliczne związki.

7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że co najmniej jeden z metaloorganicznych związków zawiera metal szlachetny.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że metal szlachetny wybranyjest z grupy zawierającej platynę i złoto.

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako wiązki korpuskulame zastosowane są wiązki elektronów o wysokiej energii.

10. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że materiałem wyjściowym do osadzania jest dwumetylo-trójfluorowy acetyloacetonian ze złotem.