RU170833U1

RU170833U1 - OPTICAL VISIBLE RADIATION DETECTOR

Info

Publication number: RU170833U1
Application number: RU2016147872U
Authority: RU
Inventors: Иван Иванович Бобринецкий; Алексей Владимирович Емельянов
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Использование: для создания детекторов оптического импульсного излучения. Сущность полезной модели заключается в том, что детектор оптического излучения включает диэлектрическую подложку, однослойную углеродную нанотрубку, способную поглощать оптическое излучение в видимом диапазоне, электрические контакты, в углеродной нанотрубке сформирован гетеропереход между окисленной и немодифицированной частью углеродной нанотрубки. Технический результат: обеспечение возможности минимизации площади чувствительной области. 2 ил.Usage: to create detectors of optical pulsed radiation. The essence of the utility model is that the optical radiation detector includes a dielectric substrate, a single-layer carbon nanotube capable of absorbing optical radiation in the visible range, electrical contacts, a heterojunction between the oxidized and unmodified part of the carbon nanotube is formed in the carbon nanotube. Effect: providing the possibility of minimizing the area of the sensitive area. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области создания детекторов оптического излучения.The utility model relates to the field of creating optical radiation detectors.

Из уровня техники известен фотодетектор на основе углеродных нанотрубок. Недостатком решения является сложность изготовления детектора, требующего использования дополнительных адсорбирующих зарядотранспортных слоев на поверхности углеродных нанотрубок [1]. Фотодетекторы на основе одиночных нанотрубок изготавливают с помощью стандартного CMOS-процесса, который предполагает использование, как минимум, четырех электродов в процессе функционирования фотодетектора [2]. Процесс относительно хорошо изучен, но является сложным и требует использования высокоразрешающей литографии.The prior art photodetector based on carbon nanotubes. The disadvantage of this solution is the complexity of the manufacture of the detector, which requires the use of additional adsorbing charge-transport layers on the surface of carbon nanotubes [1]. Photodetectors based on single nanotubes are fabricated using the standard CMOS process, which involves the use of at least four electrodes during the operation of the photodetector [2]. The process is relatively well studied, but it is complex and requires the use of high-resolution lithography.

В качестве прототипа выбирается решение, в котором описан фотодетектор, включающий графеновый слой и расположенный на нем второй слой двумерного материала, образующие вместе гетеропереход и прикрепляющиеся к подложке с помощью двух электродов [3]. Двумерный материал полностью покрывает слой графена, обеспечивая фоточувствительность всей поверхности. Технический результат заключается в увеличении спектра чувствительности и повышении удельной обнаружительной способности устройства. Недостатком решения является использование совмещения двух двумерных материалов и создание между ними кристаллического гетероперехода, создание которого - сложный и не до конца исследованный процесс, так как механизмом формирования гетероперехода является Ван-дер-ваальсовое взаимодействие [4].As a prototype, a solution is selected in which a photodetector is described, including a graphene layer and a second layer of two-dimensional material located on it, forming a heterojunction together and attaching to the substrate using two electrodes [3]. The two-dimensional material completely covers the graphene layer, providing photosensitivity of the entire surface. The technical result consists in increasing the sensitivity spectrum and increasing the specific detection ability of the device. The disadvantage of this solution is the use of combining two two-dimensional materials and the creation of a crystalline heterojunction between them, the creation of which is a complex and incompletely studied process, since the mechanism of the formation of the heterojunction is the Van der Waals interaction [4].

Задачей полезной модели является повышение удельной обнаружительной способности и минимизации площади фоточувствительной области при регистрации оптического излучения в видимой области спектра при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также при механических воздействиях.The objective of the utility model is to increase the specific detection ability and minimize the area of the photosensitive region when recording optical radiation in the visible region of the spectrum at room temperature and atmospheric pressure, as well as under mechanical stresses.

Для решения поставленной задачи предлагается детектор оптического излучения в видимом диапазоне, отличающийся тем, что углеродная нанотрубка содержит гетеропереход в области между контактами, и включающий подложку, углеродную нанотрубку, способную поглощать видимое излучение и электрические контакты. Детектор может быть выполнен таким образом, что для соединения электрических контактов и углеродной нанотрубки используются токопроводящие электроды, сформированные по масочной технологии. При этом нанотрубка может быть однослойной.To solve this problem, a detector of optical radiation in the visible range is proposed, characterized in that the carbon nanotube contains a heterojunction in the region between the contacts and includes a substrate, a carbon nanotube capable of absorbing visible radiation and electrical contacts. The detector can be made in such a way that conductive electrodes formed by mask technology are used to connect electrical contacts and a carbon nanotube. In this case, the nanotube can be single-walled.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен детектор, и введены обозначения:The utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 the detector is shown, and designations are entered:

1 - диэлектрическая подложка,1 - dielectric substrate,

2 - электрические выводы,2 - electrical leads,

3 - углеродная нанотрубка,3 - carbon nanotube,

4 - гетеропереход.4 - heterojunction.

На фиг. 2 представлена зависимость изменения сопротивления фотодетектора на основе одиночной углеродной нанотрубки со сформированным в ней гетеропереходом при облучении одиночным лазерным импульсом в 280 фемтосекунд на длине волны 532 нм с энергией импульса 0,1 нДж. Длина волны регистрируемого излучения определяется высотой формируемого барьера в гетеропереходе.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the resistance change of a photodetector based on a single carbon nanotube with a heterojunction formed in it upon irradiation with a single laser pulse of 280 femtoseconds at a wavelength of 532 nm with a pulse energy of 0.1 nJ. The wavelength of the detected radiation is determined by the height of the formed barrier in the heterojunction.

Основой детектора является диэлектрическая подложка 1. На подложку перенесена тонкая пленка из неперколированных нанотрубок 2. К пленке с помощью фотолитографии подсоединены электрические выводы 2. В нанотрубке между электродами сформирован гетеропереход 4.The detector is based on a dielectric substrate 1. A thin film of non-percolated nanotubes is transferred to the substrate 2. Electrical leads are connected to the film using photolithography 2. A heterojunction 4 is formed between the electrodes in the nanotube.

При попадании оптического излучения на нанотрубку 3 происходит поглощение излучения и изменение электрического сопротивления нанотрубки в связи с забросом носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости, которое затем регистрируется считывающим устройством - микросхемой.When optical radiation enters the nanotube 3, radiation is absorbed and the electrical resistance of the nanotube changes due to the charge carriers being thrown from the valence band into the conduction band, which is then recorded by a microcircuit reader.

Гетеропереход состоит из частично окисленной нанотрубки, сформированной с использованием сфокусированного сверхкороткого лазерного импульсного излучения, и немодифицированной нанотрубки. Высота барьера в гетеропереходе контролируется степенью окисления части углеродной нанотрубки. При этом окисленная часть нанотрубки может находиться или осуществлять контакт с одним из электродов. Немодифицированные нанотрубки состоят из атомов углерода и, содержат остатки металлического катализатора. Окисленная часть нанотрубки содержит соединения кислорода (-ОН, -СООН, С-О-С, -О, и т.п.), а также дефекты. Окисленная часть нанотрубки обладает увеличенной запрещенной зоной по сравнению с немодифицированной, что обеспечивает наличие локального гетероперехода.The heterojunction consists of a partially oxidized nanotube formed using focused ultrashort pulsed laser radiation and an unmodified nanotube. The height of the barrier in the heterojunction is controlled by the oxidation state of a part of the carbon nanotube. In this case, the oxidized part of the nanotube can be located or make contact with one of the electrodes. Unmodified nanotubes are composed of carbon atoms and contain the remains of a metal catalyst. The oxidized part of the nanotube contains oxygen compounds (—OH, —COOH, C — O — C, —O, etc.), as well as defects. The oxidized part of the nanotube has an increased forbidden zone in comparison with the unmodified one, which ensures the presence of a local heterojunction.

Преимуществами заявляемого решения по отношению к прототипу являются малый вес (что важно с точки зрения миниатюризации электроники), простой технологический процесс, а также использование материалов на основе безопасного и способного к рециркуляции углерода. Субмикронный размер оптического детектора позволяет проводить его интеграцию в системы оптопар и в другие сенсорные и передающие устройства.The advantages of the proposed solutions in relation to the prototype are light weight (which is important from the point of view of miniaturization of electronics), a simple technological process, as well as the use of materials based on safe and recyclable carbon. The submicron size of the optical detector allows its integration into optocoupler systems and other sensor and transmitter devices.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

В лабораторных условиях и условиях единичного производства технологический процесс изготовления предлагаемого фотодетектора может состоять из следующих операций:In laboratory conditions and conditions of a single production, the manufacturing process of the proposed photodetector may consist of the following operations:

Осаждение неперколированной пленки однослойных углеродных нанотрубок на диэлектрическую подложку.The deposition of unpercolated film of single-walled carbon nanotubes on a dielectric substrate.

Отжиг пленки нанотрубок при температуре 300°С в течение 20 минут для удаления остатков органики.Annealing the nanotube film at a temperature of 300 ° C for 20 minutes to remove residual organics.

Проведение фотолитографии на подложке и формирование электродов.Photolithography on a substrate and the formation of electrodes.

Проведение локального окисления углеродной нанотрубки фемтосекундным лазером.Carrying out local oxidation of a carbon nanotube by a femtosecond laser.

280 фемтосекундный импульс лазерного излучения, сфокусированного в пятно диаметром 2 мкм, обеспечивает создание гетероперехода в области 500 нм².A 280 femtosecond laser pulse focused into a spot with a diameter of 2 μm provides a heterojunction in the region of 500 nm ² .

Технический результат - фотодетектор, созданный на основе одиночной однослойной углеродной нанотрубки, с повышенной удельной обнаружительной способностью при комнатной температуре и атмосферном давлении, имеющий минимальную площадь чувствительной области.EFFECT: photodetector based on a single single-layer carbon nanotube with increased specific detection ability at room temperature and atmospheric pressure, having a minimum sensitive area.

Источники информации:Information sources:

1. Патент США №9147845.1. US patent No. 9147845.

2. Chang, S.W., Hazra, J., Amer, M., Kapadia, R., & Cronin, S. B. A Comparison of Photocurrent Mechanisms in Quasi-Metallic and Semiconducting Carbon Nanotube pn-Junctions. ACS nano, 2015, 9(12), 11551-11556.2. Chang, S.W., Hazra, J., Amer, M., Kapadia, R., & Cronin, S. B. A Comparison of Photocurrent Mechanisms in Quasi-Metallic and Semiconducting Carbon Nanotube pn-Junctions. ACS nano, 2015, 9 (12), 11551-11556.

3. Патент Китая №105789367 - прототип.3. Chinese patent No. 105789367 - prototype.

4. Pierucci, D., Henck, H., Avila, J., Balan, A., Naylor, С.H., Patriarche, G., … & Asensio, M.C. Band alignment and minigaps in monolayer MoS2-graphene van der Waals heterostructures. Nano Lett., 2016, 16 (7), 4054-4061.4. Pierucci, D., Henck, H., Avila, J., Balan, A., Naylor, C. H., Patriarche, G., ... & Asensio, M.C. Band alignment and minigaps in monolayer MoS2-graphene van der Waals heterostructures. Nano Lett., 2016, 16 (7), 4054-4061.

Claims

The detector of optical visible radiation, including a dielectric substrate, a single layer carbon nanotube capable of absorbing optical radiation in the visible range, electrical contacts, characterized in that a heterojunction between the oxidized and unmodified part of the carbon nanotube is formed in the carbon nanotube.