CN110767769A - 一种探测单元、超宽带光探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本文公布了一种探测单元、超宽带光探测器及探测方法，探测单元包括NbS3晶体片和两个电极，两个所述电极分别设置在所述NbS3晶体片的长度方向两端，且分别与所述NbS3晶体片形成欧姆接触。超宽带光探测器包括上述的探测单元，以及用于采集所述探测单元上电势差数据的探测电路，两个所述电极分别与所述探测电路电连接。其探测方法主要包括：固定探测器、照射探测器和采集探测电路数据。本文涉及一种探测单元、超宽带光探测器及探测方法，可克服探测带宽窄的问题，其探测的带宽能从紫外覆盖到太赫兹波段，具有超宽探测带宽，并且其还具有高速灵敏的优点。
Description
技术领域
本发明涉及探测技术领域，尤其涉及一种探测单元、超宽带光探测器及探测方法。
背景技术
光探测器能够将光信号转换为电信号,进而检测出入射到其表面的光功率。超宽带光探测器能够同时探测不同波段，例如紫外、可见光、红外甚至是太赫兹波的电磁波辐射,在红外成像、遥感、环境监测、天文探测、光谱分析等诸多领域有着非常重要作用。但是，由于光敏材料的限制，目前的光探测器只能工作于特定的波段，现阶段的超宽光谱探测是通过将不同波段的探测方法集成在一起并保证各个部分同步工作来实现的，这种方法最大的问题就是器件结构非常复杂，难以应用到实际中。因此，使用单一器件进行太赫兹到紫外的超宽带光探测成为了目前的研究热点。
受制于材料本身带隙的大小，基于WSe2(见Kim H S,Chauhan K R,Kim J,etal.Flexible vanadium oxide film for broadband transparent photodetector[J].Applied Physics Letters,2017,110(10):101907.)，Bi单晶(见Yao J D,Shao J M,YangG W.Ultra-broadband and high-responsive photodetectors based on bismuth filmat room temperature[J].Scientific Reports,2015,5:12320.)，MoS2(见Xie Y,ZhangB,Wang S,et al.Ultrabroadband MoS2 Photodetector with Spectral Response from445 to 2717nm[J].Advanced Materials,2017,29(17):1605972.)以及黑磷(见Xie Y,Zhang B,Wang S,et al.Ultrabroadband MoS2 Photodetector with Spectral Responsefrom 445 to 2717nm[J].Advanced Materials,2017,29(17):1605972.)的探测器大多只能实现紫外至红外波段的宽带探测，难以覆盖到太赫兹波段。石墨烯以及拓扑绝缘体具有狄拉克锥能带结构，被认为是实现超宽带光探测的宠儿。不幸的是，对于石墨烯而言，单层石墨烯的光吸收率仅为2.3％，这使得石墨烯探测器的响应度仅为数mV/W(CN 107104167A)。对于拓扑绝缘体而言，仅有表面具有狄拉克锥结构，同样也面临吸收较低的问题。此外，零带隙的结构使得基于石墨烯和拓扑绝缘体的光探测暗电流较大，严重影响器件的信噪比。尽管存在石墨烯异质结(见Highly Sensitive,Gate-Tunable,Room-Temperature Mid-Infrared Photodetection Based on Graphene-Bi2Se3 Heterostructure)，拓扑绝缘体异质结(见Yao,J.；Shao,J.；Wang,Y.；Zhao,Z.；Yang,G.Ultra-broadband and highresponse of the Bi2Te3-Si heterojunction and its applicationas a photodetectorat room temperature in harsh working environments.Nanoscale 2015,7,12535-12541.)以及三维微管结构的石墨烯探测器(CN107394001A)，然而其要么需要额外偏压，要么需要引入相对复杂的制备工艺，均制约了器件在实际中的应用。综上所述，探测带宽覆盖太赫兹至紫外的超宽谱探测器是需要进一步研究的。
发明内容
本发明实施例提供一种探测单元、超宽带光探测器及探测方法，可克服探测带宽窄问题，其探测的带宽能从紫外覆盖到太赫兹波段，具有超宽探测带宽，并且其还具有高速灵敏的优点。
为解决上述技术问题，本文采用如下技术方案：
一种探测单元，用于超宽带光探测，包括NbS3晶体片和两个电极，两个所述电极分别设置在所述NbS3晶体片的长度方向两端，且分别与所述NbS3晶体片形成欧姆接触。
本文还提供了一种超宽带光探测器，包括上述的探测单元，以及用于采集所述探测单元上电势差数据的探测电路，两个所述电极分别与所述探测电路电连接。
一种可能的设计，包括用以支撑所述探测单元的基底，所述探测单元固定在所述基底上。
一种可能的设计，两个所述电极设为两个同材质的金属电极。
一种可能的设计，两个所述电极设为两个不同材质的金属电极。
一种可能的设计，所述探测单元还包括栅介质层、栅电极和天线，两个所述电极设为源电极和漏电极，所述栅介质层铺设在所述NbS3晶体片和两个所述电极构成的异质结的上表面，所述栅电极设置在所述栅介质层上端且位于所述NbS3晶体片中央，所述天线分别与所述源电极和所述栅电极连接。
一种可能的设计，所述天线包括分体的第一天线和第二天线，所述第一天线与所述源电极连接，所述第二天线与所述栅电极连接。
一种可能的设计，所述栅介质层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2或六方氮化硼。
一种可能的设计，所述天线设置为螺旋天线、蝶形天线或对数周期天线。
一种可能的设计，两个电极都成薄片状且都固定在所述基底的上表面或所述NbS3晶体片的上表面。
一种可能的设计，所述基底为薄片状，且材料包括蓝宝石，Si/SiO2，石英，玻璃或云母。
一种可能的设计，所述探测单元有多个，多个所述探测单元呈线阵或面阵排布。
一种可能的设计，所述探测电路为用以读取电势差的电测量设备。
一种可能的设计，多个所述探测单元设置在基底上且呈线阵排布，所述基底包括间隔设置的第一基底和第二基底，任一所述探测单元的两个电极分别固定在所述第一基底和第二基底上且所述NbS3晶体片的两端分别与两个所述电极形成欧姆接触。
一种可能的设计，所述基底有多个，多个所述基底设在同一平面上，所述基底和探测单元一一对应，每一所述探测单元的两个所述电极贯穿对应的基底，所述探测单元的NbS3晶体片设置在该基底的一侧且两端与两个所述电极形成欧姆接触。
一种可能的设计，所述电极截面呈矩形，且所述电极在所述基底背向所述NbS3晶体片的一侧形成引脚。
本文还提供了一种上述的超宽带光探测器的探测方法，包括：
固定探测器，将探测器固定在光学平移台上；
照射探测器，控制光源照射探测器，使得光源产生的光斑落在所述NbS3晶体片上；
采集探测电路数据，读取和记录所述探测单元两端的电势差变化数据。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例的探测器被光源照射时，含有NbS3晶体的探测单元会产生温度梯度，进而在探测单元两端产生正比于光强的电势差，同时，通过探测电路将这一电势差放大读出即可实现超宽带光探测。
本发明实施例的探测器的探测带宽能从紫外覆盖到太赫兹波段，具有超宽探测带宽，并且其还具有高速灵敏的优点。
本发明实施例的探测器制备简单、成本低廉,在实际应用中具有广阔前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为实施例一的探测器示意图；
图2为实施例一的探测器连接简图；
图3为实施例二的探测器示意图；
图4为实施例三的探测器示意图；
图5为实施例三的探测单元示意图；
图6为实施例三的探测器连接简图；
图7为实施例四的探测器示意图；
图8为实施例五的探测器示意图。
附图标记：1-NbS3晶体片、2-源电极、3-漏电极、4-基底、4-1-第一基底、4-2-第二基底、5-栅介质层、6-栅电极、7-第一天线、8-第二天线、9-金属线、10-光线、11-探测电路。
具体实施方式
为使本申请的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本申请的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
请参阅图1和图2的本发明实施例一的超宽带光探测器。如图1和图2所示，该探测器包括探测单元和用于收集探测单元数据的探测电路11，其中，上述探测单元又包括NbS3晶体片1和电极，两个电极分别设置在NbS3晶体片1的长度方向两端并与其形成欧姆接触，同时，两个电极分别与探测电路11电连接。由此，该探测器可将照射在其上的光线转为电信号，并由探测电路11读出，实现超宽带光探测。
首先，就NbS3晶体片1而言，其由NbS3晶体构成呈长条片状。NbS3是一种典型的准一维半导体材料，其具有丰富的物理性质，例如Peierls相变和电荷密度波。近年来，具有独特物理性质的低维材料逐渐成为研究热点，这也开启了新的超宽带探测方法的研究领域。目前，基于低维材料太赫兹探测研究多集中于石墨烯，黑磷等二维材料。除了这些材料以外，尚有很多准一维材料有待探索，例如上述的NbS3。然而，目前对NbS3的研究多集中于晶体结构，能带结构和电荷密度波相变特性，少有关于光电探测方法甚至于太赫兹探测方法的研究。
又如图1和图2所示，两个电极为两个同材质的金属电极，其分别设置有源电极2和漏电极3，其中，源电极2和漏电极3都为薄片状且分别设置在NbS3晶体片1的上表面，并与NbS3晶体片1形成良好的欧姆接触。由此，上述NbS3晶体片1和两个电极固定后形成了“NbS3-金属”的异质结。同时，源电极2和漏电极3分别通过引线(图中未示出)与探测电路11电连接，形成回路，以便将NbS3晶体片1产生的电信号传送给探测电路11，以供其测量。
另外，该探测器还包括用以支撑探测单元的基底4，该基底4呈薄片状，上述NbS3晶体片1固定在基底4上端面，基底4可为探测器提供稳定的机械支撑，其材质包括但不限于蓝宝石，Si/SiO2，石英，玻璃或云母，本实施例采用蓝宝石制成。
由此，可知，该探测器制备简单，成本也相对低廉。而且其探测方法也简单快捷。具体地，其探测方法主要包括：固定探测器、照射探测器和采集探测电路11数据。其中，在探测时，首先需要将探测器的基底固定在稳定可靠的光学平移台上，使其能够正面面对光照。其次，开启光源，使得其光线10可通过光路聚焦在“NbS3-金属”的异质结上，即光斑落在NbS3晶体片1上，该光斑的直径数值应小于NbS3晶体片1的长度，通常实验室中光斑大小多选用1-2mm，使得光斑只能落在NbS3晶体片1的一处，不能覆盖整个NbS3晶体片1。此时，在光照下，NbS3晶体材料温度升高，产生光热电效应，从而在几个毫秒的时间内产生显著的电流，这一电流强度依赖于电磁波的功率，随着电磁波功率的增加，回路中的光电流随之线性增加；也可理解为光线照射会使探测单元两端产生温度差，这一温度差会在其两端产生正比于光强的电势差。最后，通过探测电路11可将上述电势差放大读出，即可实现超宽带光探测。由此，可知其探测反应小于10毫秒，响应快速，反应灵敏，同时，其具有超宽探测带宽，可覆盖紫外至太赫兹波段，应用广泛。
请参阅图3的本发明实施例二的超宽带光探测器。该探测器包括探测单元和用于收集探测单元数据的探测电路，其中，上述探测单元又包括NbS3晶体片1和电极，相对于实施例一的探测器，本实施例的两个电极为两个不同材质的金属电极，即源电极2和漏电极3的材质不同，从而该探测单元构成了两个不同的“NbS3-金属”的异质结。另外，上述电极处还可采用耦合天线，以提高吸收。
由此，该探测器在探测过程中，选用的光斑的大小应远大于该NbS3晶体片1的长度，使得光线照射在整个探测单元上，由于探测单元两端的金属电极材质不同，因此，两端的费米能级存在差异，从而导致两端的塞贝克系数不同。在光照下产生光热电效应，其可在几个毫秒的时间内产生显著的电流，这一电流强度依赖于电磁波的功率，随着电磁波功率的增加，回路中的光电流随之线性增加，同样可通过探测电路读出数据，实现超宽带光探测。
请参阅图4至图6的本发明实施例三的超宽带光探测器。相对于实施例一的探测器，该探测单元还包括栅介质层5、栅电极6和天线，两个电极设为源电极2和漏电极3。
具体地，上述盖栅介质层5铺设在NbS3晶体片1和两个电极构成的异质结的上表面，栅介质层5包括但不限于SiO2、Al2O3、HfO2或六方氮化硼，本实施例的栅介质层5采用SiO2。就栅电极6而言，其也为薄片状，其沉积在栅介质层5上端且位于NbS3晶体片1的中央，栅电极6可通过栅介质层对探测单元进行栅控。另外，源电极2和栅电极6都设有天线，其天线又包括设置在源电极2上的第一天线7和设置在栅电极6上的第二天线8，第一天线7和第二天线8都为金属件，两者构成蝶形天线，可在通电情况下耦合。该天线不限于蝶形天线，其还可为螺旋天线或对数周期天线。同时，漏电极3通过金属线9连接至探测电路11，源电极2也连接至探测电路11，形成回路。
该探测器在探测过程中，选用的光斑的大小也远大于该NbS3晶体片1的长度，使得光线照射在整个探测单元上，在光照条件下，由于天线耦合，源电极2和栅电极6之间的沟道材料(即NbS3晶体)吸收更多的能量，温度会比栅电极6与漏电极3之间的材料温度高，从而产生光热电效应，在几个毫秒的时间内产生显著的电流，这一电流强度依赖于电磁波的功率，随着电磁波功率的增加，回路中的光电流随之线性增加，而探测电路11可读出数据，实现超宽带光探测。
请参阅图7的本发明实施例四的超宽带光探测器，相对于实施例一的探测器，其基底4上设有多个探测单元，多个探测单元呈线阵排布，其也可呈面阵排布。
具体地，基底4包括间隔设置的第一基底4-1和第二基底4-2，第一基底4-1和第二基底4-2平行设置，任一探测单元的两个电极分别固定在第一基底和第二基底上，正如图7所示，漏电极3设置第二基底4-2背向第一基底4-1的一侧，而源电极2则设置第一基底4-1的面向第二基底4-2的一侧。值得注意地，NbS3晶体片1为圆柱状，其一端贯穿第二基底4-2并与漏电极3形成良好的欧姆接触，另一端固定在第一基底4-1上并与源电极2形成良好的欧姆接触。当然，源电极2和漏电极3也可对向或背向分别设置在第一基底4-1和第二基底4-2上。另外，多个探测电路11(图中未示出)一一对应探测单元，分别读取各自对应的探测单元产生的电势差。
由此，相同或不同的光线同时照射多个探测单元时，通过读取各个探测单元的数据，可实现多个超宽带光探测过程同时进行。
请参阅图8的本发明实施例五的超宽带光探测器，相对于实施例一的探测器，包括多个所述探测单元和基底4，多个基底4和探测单元一一对应，形成面阵排布。
具体地，多个相同的基底4设在同一平面上，源电极2和漏电极3之间设有NbS3晶体片1，该NbS3晶体片1处于基底4的一侧且分别与源电极2和漏电极3形成良好的欧姆接触。另外，源电极2和漏电极3的截面都为矩形，两者都贯穿基底4并向下侧延伸，形成引脚，两个引脚可***探测电路11(图中未示出)的接口，省去引线连接。多个探测电路11(图中未示出)一一对应探测单元，分别读取各自对应的探测单元的数据。
由此，相同或不同的光线同时照射多个探测单元时，通过读取各个探测单元的数据，可实现多个超宽带光探测过程同时进行。
结合上述实施例，可知，该探测器的探测带宽能从紫外覆盖到太赫兹波段，具有超宽探测带宽，并且其还具有高速灵敏和响应快速的优点。同时，该探测器制备简单、成本低廉,在实际应用中具有广阔前景。另外，虽然在上述实施例中的探测器是通过光热电效应来实现探测，然而本领域的技术人员应当理解，在其它实施例中，也可以采用包括但不限于辐射热效应，热释电效应等其它探测原理。
在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (17)
1.一种探测单元，用于超宽带光探测，其特征在于，包括NbS3晶体片和两个电极，两个所述电极分别设置在所述NbS3晶体片的长度方向两端，且分别与所述NbS3晶体片形成欧姆接触。
2.一种超宽带光探测器，其特征在于，包括如权利要求1所述的探测单元，以及用于采集所述探测单元上电势差数据的探测电路，两个所述电极分别与所述探测电路电连接。
3.根据权利要求2所述的超宽带光探测器，其特征在于，包括用以支撑所述探测单元的基底，所述探测单元固定在所述基底上。
4.根据权利要求3所述的超宽带光探测器，其特征在于，两个所述电极设为两个同材质的金属电极。
5.根据权利要求3所述的超宽带光探测器，其特征在于，两个所述电极设为两个不同材质的金属电极。
6.根据权利要求3所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述探测单元还包括栅介质层、栅电极和天线，两个所述电极设为源电极和漏电极，所述栅介质层铺设在所述NbS3晶体片和两个所述电极构成的异质结的上表面，所述栅电极设置在所述栅介质层上端且位于所述NbS3晶体片中央，所述天线分别与所述源电极和所述栅电极连接。
7.根据权利要求6所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述天线包括分体的第一天线和第二天线，所述第一天线与所述源电极连接，所述第二天线与所述栅电极连接。
8.根据权利要求6所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述栅介质层的材料包括SiO2、Al2O3、HfO2或六方氮化硼。
9.根据权利要求6所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述天线设置为螺旋天线、蝶形天线或对数周期天线。
10.根据权利要求4或5或6所述的超宽带光探测器，其特征在于，两个电极都成薄片状且都固定在所述基底的上表面或所述NbS3晶体片的上表面。
11.根据权利要求3-9任一所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述基底为薄片状，且材料包括蓝宝石，Si/SiO2，石英，玻璃或云母。
12.根据权利要求3-9任一所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述探测单元有多个，多个所述探测单元呈线阵或面阵排布。
13.根据权利要求2-9任一所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述探测电路为用以读取电势差的电测量设备。
14.根据权利要求12所述的超宽带光探测器，其特征在于，多个所述探测单元设置在基底上且呈线阵排布，所述基底包括间隔设置的第一基底和第二基底，任一所述探测单元的两个电极分别固定在所述第一基底和第二基底上且所述NbS3晶体片的两端分别与两个所述电极形成欧姆接触。
15.根据权利要求12所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述基底有多个，多个所述基底设在同一平面上，所述基底和探测单元一一对应，每一所述探测单元的两个所述电极贯穿对应的基底，所述探测单元的NbS3晶体片设置在该基底的一侧且两端与两个所述电极形成欧姆接触。
16.根据权利要求15所述的超宽带光探测器，其特征在于，所述电极截面呈矩形，且所述电极在所述基底背向所述NbS3晶体片的一侧形成引脚。
17.一种如权利要求2-16所述的超宽带光探测器的探测方法，其特征在于，包括：
固定探测器，将探测器固定在光学平移台上；
照射探测器，控制光源照射探测器，使得光源产生的光斑落在所述NbS3晶体片上；
采集探测电路数据，读取和记录所述探测单元两端的电势差变化数据。
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| CN113790804A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-14 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法 |
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