CN111477700B - 基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法，包括基底，在所述基底上由下向上依次设置有第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、超材料介质层和周期性介质点阵；所述第一金属薄膜与第二金属薄膜的材质一致；所述第一金属薄膜作为底电极，所述第二金属薄膜作为顶电极；其中，所述第一金属薄膜为光学阻挡层和电学输运层。其光学吸收好，电学输运效率高，光探测器的响应度好。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域，具体涉及一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法。
背景技术
热电子光探测器的工作原理是利用光内发射原理收集金属中由光吸收产生的处于热力学非平衡态的电子。热电子光探测器的作为亚禁带光学探测器，工作波段可以从紫外波段延伸至近红外波段，同时还具备响应时间快，能室温操作等优点。从结构上说，热电子光探测器有金属-半导体和金属-介质-金属两种类型。热电子光探测器的性能一般用响应度来表征，即单位入射光功率下的电流输出。为了提高热电子光探测器的响应度，可利用金属微纳结构以增强入射光学信号吸收。但是金属微纳结构会降低热电子的输运效率。
在金属-介质-金属结构的热电子光探测器中，两层金属既作为入射光信号的吸收材料，又作为探测器的两个电极用以输出电信号。基于金属-介质-金属结构热电子光探测器的工作原理可分为四步：(1)当入射光信号照射到探测器上，在两个金属区域内引起明显的光学吸收，但两个光学吸收不相等而存在光学净吸收；(2)金属中费米能级附近的电子得到入射光子的能量跃迁至高能级产生处于非热力学平衡态的热电子；(3)产生的热电子在金属中自由扩散输运至金属-介质界面处；(4)成功到达界面处的热电子越过金属-介质势垒到达对电极被收集，光学净吸收造成两个电极收集的热电子个数不相等而形成输出电流信号。
一般来说，可以从两个方面提高热电子光探测器性能，一是提高探测器的光学吸收，二是增强热电子在金属中的输运效率。针对金属-介质-金属结热电子光探测器，存在光学吸收和电学输运的矛盾。具体说，基于金属微纳构型的热电子光探测器的光学吸收要强于平面型热电子光探测器，但热电子的输运效率不如平面型热电子光探测器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法，其光学吸收好，同时电学输运效率高，光探测器的响应度好。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热电子光探测器及其制备方法，包括基底，在所述基底上由下向上依次设置有第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、超材料介质层和周期性介质点阵；所述第一金属薄膜与第二金属薄膜的材质一致；所述第一金属薄膜作为底电极，所述第二金属薄膜作为顶电极；其中，所述第一金属薄膜为光学阻挡层和电学输运层。
作为优选的，所述第一金属薄膜为金薄膜、银薄膜、铜薄膜或铝薄膜。
作为优选的，所述电极中间层为氧化锌薄膜、氧化铝薄膜或二氧化钛薄膜。
作为优选的，所述超材料介质层为二氧化硅薄膜、氧化锌薄膜或氟化镁薄膜。
作为优选的，所述周期性介质点阵为氮化硅点阵、碳化硅点阵或二氧化硅点阵。
作为优选的，所述周期性介质点阵的周期不小于250nm。
作为优选的，所述第一金属薄膜的厚度为100-500nm,所述第二金属薄膜的厚度为10-30nm。
作为优选的，所述电极中间层的厚度为5-10nm。
本发明公开了一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器的制作方法，包括以下步骤：
S1、对基底表面进行清洗以去除基底表面的杂质；
S2、使用电子束蒸镀法在基底上沉积第一金属薄膜，作为底电极；
S3、使用原子层沉积法在所述第一金属薄膜上生长电极中间层；
S4、使用电子束蒸镀法在电极中间层上镀第二金属薄膜，作为顶电极；
S5、使用磁溅射法在第二金属层上镀膜获得超材料介质层；
S6、使用电子束光刻法在第二金属层上制备周期性介质点阵。
本发明的有益效果：
1、本发明的基于介质微纳结构的完美吸收超材料热电子光探测器具有很高的响应度(一般情况下高于国际产品2-3倍)。
2、本发明的基于完美吸收超材料热电子光探测器设计简明、结构新颖,且工艺简单、价格低廉，并不局限于某个材料，拓展了热电子光探测器的应用范围。
3、本发明的可以通过调节结构的几何参数(周期性介质颗粒点阵周期和超材料介质层厚度)改变工作波长范围，具有良好的适应性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例一的热电子光探测器的制备方法示意图；
图3为实施例一中光探测器的光学和电学响应示意图。
本发明的标号说明：1、基底；2、第一金属薄膜；3、电极中间层；4、第二金属薄膜；5、超材料介质层；6、周期性介质点阵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明公开了一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器及其制备方法，包括基底1，在基底1上由下向上依次设置有第一金属薄膜2、电极中间层3、第二金属薄膜4、超材料介质层5和周期性介质点阵6；第一金属薄膜2与第二金属薄膜4的材质一致；第一金属薄膜2作为底电极，第二金属薄膜4作为顶电极。其中，第一金属薄膜2为光学阻挡层和电学输运层。
本发明的工作原理是：当入射光信号照射在探测器上，在周期性介质点阵6中形成强烈的电偶极共振，同时在金属顶电极表面形成镜像电荷。周期性介质点阵6中的电偶极共振和金属顶电极中的镜像电荷组成磁偶极子，与入射光信号的磁场发生共振。电偶极和磁偶极共振使得特定波长的入射光的反射为零，而透射光由于金属电极的阻挡也为零，从而实现光学完美吸收。在完美吸收超材料的强烈光学吸收和平面型金属-介质-金属结的电学输运共同作用下，提升完美吸收超材料平面型金属-介质-金属结热电子光探测器的响应度。与一般的完美吸收超材料不同，金属不仅作为光学阻挡层，同时也是热电子的电学输运层。
第一金属薄膜2为金薄膜、银薄膜、铜薄膜或铝薄膜。电极中间层为氧化锌薄膜、氧化铝薄膜或二氧化钛薄膜。超材料介质层5为二氧化硅薄膜、氧化锌薄膜或氟化镁薄膜，超材料介质层5一般由常见的介质材料构成，需要具备一定的机械强度用以支撑上面的周期性介质点阵6。基底1可为石英玻璃或单晶硅。
周期性介质点阵6为氮化硅点阵、碳化硅点阵或二氧化硅点阵。周期性介质点阵6的周期不小于250nm。
第一金属薄膜2(底电极)需要较厚，作为光学阻挡层，第一金属薄膜2的厚度为100-500nm。第二层金属薄膜(顶电极)，也作为光学阻挡层，但同时作为热电子输运层，因此需要较薄，第二金属薄膜4的厚度为10-30nm。
电极中间层的厚度为5-10nm。
本发明还公开了一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、对基底表面进行清洗以去除基底表面的杂质；
S2、使用电子束蒸镀法在基底上沉积第一金属薄膜，作为底电极；
S3、使用原子层沉积法在第一金属薄膜上生长电极中间层；
S4、使用电子束蒸镀法在电极中间层上镀第二金属薄膜，作为顶电极；
S5、使用磁溅射法在第二金属层上镀膜获得超材料介质层；
S6、使用电子束光刻法在第二金属层上制备周期性介质点阵。
实施例一
参照图2所示，本实施例以石英玻璃为基底、以金薄膜为两层电极、以氧化锌薄膜为电极中间层，以二氧化硅薄膜为超材料介质层，且以三菱柱氮化硅颗粒点阵为周期性介质颗粒阵列，按如下步骤制备基于介质微纳结构的完美吸收超材料热电子光探测器：
(1)将石英玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上200nm厚的金薄膜，作为底电极；
(3)用原子层沉积法生长5nm氧化锌薄膜，作为电极中间层；
(4)在氧化锌薄膜上用电子束蒸镀法镀上20nm厚的金薄膜，作为顶电极；
(5)在金薄膜顶电极上用磁控溅射法50nm厚二氧化硅薄膜，作为超材料介质层。
(6)在二氧化硅薄膜介质层上用电子束光刻法制备边长100nm、高为100nm的三棱柱氮化硅颗粒四方点阵，点阵周期为300nm。
图3为本实施例中的光探测器的光学和电学响应示意图。从图3(a)中可以看出光学完美吸收超材料在680nm附近有强烈的光学吸收。从图3(b)中可以看出输出的响应度可在偏压的作用下调制。
本实施例中所用的金属膜为金薄膜,但是只要电极薄膜中有大量自由电子就可以使反射谱中有谷。因此任何的金属薄膜都是可以的。制成的实施例样品的光学吸收发生在两个平面金属电极中，在强烈光学吸收的同时保持平面金属-介质-金属结中优良的电学输运，因而比同类型微纳结构的金属-介质-金属结热电子光探测器响应度好。
实施例二
本实施例以单晶硅为基底、以银薄膜为底电极、银薄膜顶电极、以氧化铝薄膜为电极中间层、以氧化锌薄膜为超材料介质层，且以长方体碳化硅颗粒六角点阵为周期性介质颗粒阵列，按如下步骤制备基于介质微纳结构的完美吸收超材料热电子光探测器：
(1)将单晶硅片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上150nm厚的银薄膜，作为底电极；
(3)用原子层沉积法生长极薄5nm氧化铝薄膜，作为电极中间层；
(4)在氧化铝薄膜上用电子束蒸镀法镀上15nm厚的银薄膜，作为顶电极；
(5)在金薄膜顶电极上用磁控溅射法30nm厚氧化锌薄膜，作为超材料介质层。
(6)在氧化锌薄膜介质层上用紫外光刻法制备长和宽为100nm、高为30nm的长方体碳化硅颗粒六角点阵,点阵周期为300nm。
实施例三
本实施例以石英玻璃为基底、以铜薄膜为两层电极、以二氧化钛薄膜为电极中间层、以氟化镁薄膜为超材料介质层，且以长方体二氧化硅颗粒四方点阵为周期性介质颗粒阵列，按如下步骤制备基于介质微纳结构的完美吸收超材料热电子光探测器：
(1)将石英玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的玻璃片上用电子束蒸镀法镀上100nm厚的铜薄膜，作为底电极；
(3)用原子层沉积法生长8nm二氧化钛薄膜，作为电极中间层；
(4)在二氧化钛薄膜上用电子束蒸镀法镀上20nm厚的铜薄膜，作为顶电极；
(5)在金薄膜顶电极上用磁控溅射法80nm厚氟化镁薄膜，作为超材料介质层。
(6)在氟化镁薄膜介质层上用电子束光刻法制备长和宽为150nm、高为50nm的长方体二氧化硅颗粒四方点阵，点阵周期为400nm。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，包括基底，在所述基底上由下向上依次设置有第一金属薄膜、电极中间层、第二金属薄膜、超材料介质层和周期性介质点阵；所述第一金属薄膜与第二金属薄膜的材质一致；所述第一金属薄膜作为底电极，所述第二金属薄膜作为顶电极；
其中，所述第一金属薄膜为光学阻挡层和电学输运层；
所述超材料介质层为二氧化硅薄膜、氧化锌薄膜或氟化镁薄膜；所述周期性介质点阵为氮化硅点阵、碳化硅点阵或二氧化硅点阵。
2.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述第一金属薄膜为金薄膜、银薄膜、铜薄膜或铝薄膜。
3.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述电极中间层为氧化锌薄膜、氧化铝薄膜或二氧化钛薄膜。
4.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述周期性介质点阵的周期不小于250nm。
5.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述第一金属薄膜的厚度为100-500nm。
6.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述第二金属薄膜的厚度为10-30nm。
7.如权利要求1所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器，其特征在于，所述电极中间层的厚度为5-10nm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的基于完美吸收超材料的热电子光探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
对基底表面进行清洗以去除基底表面的杂质；
使用电子束蒸镀法在基底上沉积第一金属薄膜，作为底电极；
使用原子层沉积法在所述第一金属薄膜上生长电极中间层；
使用电子束蒸镀法在电极中间层上镀第二金属薄膜，作为顶电极；
使用磁溅射法在第二金属层上镀膜获得超材料介质层；
使用电子束光刻法在超材料介质层上制备周期性介质点阵。
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