CN115241316A - 柔性超构表面红外热释电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于红外探测技术领域，具体为一种柔性超构表面红外热释电探测器。本发明红外热释电探测器由亚波长金属微结构阵列‑介质‑金属组成，自上而下包括互联型金属微结构层、热电材料层、金属薄膜层和柔性衬底层。热电材料层的厚度和互联型金属微结构层的尺寸和形状可以调节红外探测器的探测频率。该红外探测器无需额外的吸收材料，无需制冷，热容量低，灵敏度高等突出性能优势；且具有结构简单、易于大面积制备、柔性可弯曲、工作频率可选等一系列优点，在红外探测领域有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种柔性超构表面红外热释电探测器。
背景技术
红外探测技术在国防安全、环境监测、医学诊断和疫情防控等众多领域具有广泛的作用。热敏型红外探测器由于其低功耗，无需制冷等优点在上述许多应用场景中发挥着重要应用。热敏型红外探测器种类很多，其中热释电探测器是为其典型的代表之一。传统的热释电探测器通常利用外加的吸收层将光能转换为热能，引起器件温度的变化，改变热释电层材料的极化状态，通过表面电荷的重新排布产生电信号的输出，从而实现对光外辐射信号的探测。其中吸收层将光信号转换为热信号再传递到热释电材料层需要较长的时间，同时较大的电容面积厚的热电材料层等原因导致器件响应速度慢。此外，传统红外热释电探测器具有平坦的光谱吸收，对需要具有波长选择性的探测的应用场景，通常是利用红外滤波窗片实现。近年来，人工微结构超构表面概念的出现大大丰富了人们操控电磁波的手段。其中超构表面的重要应用之一就是用于增强收集吸收电磁波。通过超构表面微结构的调节可实现对不同波长的选择性吸收或不同波段范围的宽光谱吸收。人工微结构超构表面的发展为红外热释电探测器的研究提供了一个新的思路。
本发明公开了一种非制冷柔性超构表面红外热释电探测器，结构为金属-介质-金属型深亚波长超构表面超吸收体，其中热电材料作为介质层，整个吸收体将吸收的光转换为热，无需传统热释电探测器中的吸收层，直接实现信号的探测。与传统探测器相比可显著提高器件的响应性能。并且通过调整热电材料层的厚度和互联型金属微结构的形状和尺寸可实现不同波长信号的探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔热性能好、热容量低和灵敏度高的非制冷柔性超构表面红外热释电探测器。
本发明提供的非制冷柔性超构表面红外热释电探测器，结构示意图如图1所示；包括自下而上依次叠合的衬底层（1）、下电极层（2）、热电材料层（3）、上电极层（4）；改变热电材料层的厚度和互联型金属人工微结构的形状和尺寸，可实现不同波长红外信号的探测。其中：
所述衬底层（1），采用无粘性的聚酰亚胺薄膜，厚度为5-100 μm；优选厚度为10 -50 μm；
所述下电极层（2）为金属薄膜，厚度为50-200 nm，优选厚度为50 -100 nm；有电极的引出接线（2a）；
所述下电极层的材料包括但不限于金、银、铜、铝、钨、铋、钽和铼；
所述热电材料层（3）材料，具有超低的热容与短的热时间常数；根据探测波长确定热电材料层的厚度；所述热电材料层（3）材料具体包括但不限于聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯二元聚合物、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氮化铝或氧化锌薄膜；
所述热电材料层（3），根据探测波长和热电材料的介电常数确定热电材料层的厚度，具体为10 -2000 nm；优选厚度为50 -1000 nm，更优选厚度为100 -500 nm；
所述上电极层（4），用于实现单通道或多通道的光吸收波长和强度的控制；采用柔性超构表面结构,具体为亚波长周期性互联型金属人工微结构阵列，厚度为20-200 nm；优选厚度为50 -150 nm，更优选厚度为50 -100 nm；
所述上电极层（4），其柔性超构表面结构可实现单通道或多通道的光吸收波长和强度的控制。
本发明中，所述微结构阵列由微结构单元二维延拓得到；具体地，是微结构单元在水平和垂直方向进行周期性延拓排布形成面元（亦称子阵列），微结构单元延拓周期为1-10μm（优选周期为2-5 μm）；再由多个面元组合形成微结构阵列（例如，1×1，2×2，2×3，3×3，…）；微结构阵列的面积大小为50 μm2-1 mm2；单个面元内微结构单元相同，不同面元的微结构单元可以相同可以不同。
本发明中，所述微结构单元的形状包括但不限于条形光栅、圆形孔、方形孔、或十字形。
例如附图2所示，其中,具有相同或不同的互联型金属微结构面元（子阵列）为4个：（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4），是个2×2面元的金属微结构阵列，实现单一窄带宽或不同波长的红外信号探测，各金属微结构面元分别设有上电极引出接线（4a）、（4b）、（4c）、（4d）；其中，4个面元的微结构单元各不相同。
所述上电极层（4），其柔性超构表面结构可实现单通道或多通道的光吸收波长和强度的控制。
所述上电极层（4）的材料包括但不限于金、银、铜、铝、钨、铋、钽和铼。
本发明中，利用差分时域有限元方法设计热电材料层的厚度，以及互联型金属微结构层的尺寸和形状调节红外探测器的探测频率。
本发明柔性超构表面红外热释电探测器具有结构简单、无需额外的吸收材料、隔热性能好、热容量低和灵敏度高等突出的性能优势，还具有易于大面积制备、柔性可弯曲、工作频率可选等优点，在可穿戴设备和红外探测领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是柔性超构表面红外热释电探测器的截面示意图。
图2是柔性超构表面红外热释电探测器的主视图。
图3为柔性超构表面红外热释电探测器图片。其中，（a）为样品光学照片；（b）为样品显微光学照片；（c）为扫描电镜显微照片。
图4是超构表面红外热释电探测器样品吸收谱曲线。
图5是超构表面红外热释电探测器样品波长响应谱曲线。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1：
一种柔性超构表面红外热释电探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为5μm；
3、蒸镀50 nm金薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀50 nm金膜后将样品取出；
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物热电层；旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质层；旋涂5次制备300 nm厚；每次旋涂后用115 ℃前烘10分钟，5次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀20 nm金薄膜；用电子束蒸发镀膜方法在步骤5中制备的样品上蒸镀20 nm金薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的去掉，实现顶层微结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在9.8 μm处有最大吸收（>95%），如图4；并测试探测器的光谱响应信号，如图5，具有波长选择探测性能。
实施例2：
一种柔性超构表面红外热释电探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为5μm；
3、蒸镀100 nm金薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀100 nm金膜后将样品取出；
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物热电层；旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质层；旋涂5次制备300 nm厚；每次旋涂后用115 ℃前烘10分钟，5次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀100 nm金薄膜；用电子束蒸发镀膜方法在步骤5中制备的样品上蒸镀100nm金薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的去掉，实现顶层微结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在10.2 μm处有最大吸收（>95%）；并测试探测器的光谱响应信号，类似图5所示，具有波长选择探测性能。
实施例3：
一种柔性超构表面红外热释电探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行衬底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制金膜，再旋涂制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层金属，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为5μm；
3、蒸镀200 nm金薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀200nm金膜后将样品取出；
4、制备聚偏氟乙烯二元聚合物热电层；旋涂制备聚偏氟乙烯二元聚合物介质层；旋涂5次制备300 nm厚；每次旋涂后用115℃前烘10分钟，5次旋涂完成在135℃条件下后烘4小时，提高热释电薄膜的结晶；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀200 nm金薄膜；用电子束蒸发镀膜方法在步骤5中制备的样品上蒸镀200nm金薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的去掉，实现顶层微结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在10.4 μm处有最大吸收（>95%）；并测试探测器的光谱响应信号，类似图5所示，具有波长选择探测性能。
实施例4：
一种柔性超构表面红外热释电探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行基底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制铝膜，再制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层铝结构，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为50 μm；
3、蒸镀100 nm铝薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀100 nm铝膜后将样品取出；
4、制备锆钛酸铅热电层；利用磁控溅射的方法制备400 nm厚的锆钛酸铅介质层；通过后退火处理，提高热释电薄膜的结晶性能；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀100 nm铝薄膜；用电子束蒸发的方法在步骤5中制备的样品上蒸镀100 nm铝薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的铝去掉，实现顶层结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在9.2 μm处有最大吸收（>85%）；并测试探测器的光谱响应信号，类似图5所示，具有波长选择探测性能。
实施例5：
一种柔性超构表面红外热释电探测器；本实施例选Si为衬底，首先进行基底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制银膜，再制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层银结构，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试；具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180℃，250℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为100μm；
3、蒸镀200 nm银薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀200 nm银膜后将样品取出；
4、制备氧化锌热电层；利用磁控溅射的方法制备300 nm厚的氧化锌介质层；通过后退火处理，提高热释电薄膜的结晶性能；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀50 nm银薄膜；用电子束蒸发的方法在步骤5中制备的样品上蒸镀50 nm银薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在8 μm处有最大吸收（>85%）；并测试探测器的光谱响应信号，类似图5所示，具有波长选择探测性能。
实施例6：
一种柔性超构表面红外热释电探测器。本实施例选Si为衬底，首先进行基底清洗，接着在其表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后用电子束蒸发在聚酰亚胺薄膜上镀制银膜，再制备热电材料层，电子束光刻实现顶层图形转移，再镀制顶层银结构，随后进行湿法剥离，最后将聚酰亚胺薄膜从Si衬底上揭下，对探测器进行光学和电学测试。具体实施步骤如下：
1、基底清洗；将Si片放入酒精中超声10分钟，去除基底表面油污，超声清洗结束之后，迅速将其取出，用氮气吹干；
2、制备聚酰亚胺薄膜；在Si片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，随后用80℃，120℃，150℃，180 ℃，250 ℃各退火一个小时，聚酰亚胺薄膜制备完成，厚度为100 μm；
3、蒸镀200 nm铜薄膜；将步骤2制备的样品放入电子束蒸发设备中，蒸镀200 nm铜膜后将样品取出；
4、制备氮化铝热电层；利用电子束蒸发的方法制备250 nm厚的氮化铝介质层；通过后退火处理，提高热释电薄膜的结晶性能；
5、顶层图形转移；用电子束光刻方法对UV5光刻胶进行曝光，将互联金属微结构图形转移到步骤4中制备的样品上；
6、蒸镀50 nm铜薄膜；用电子束蒸发的方法在步骤5中制备的样品上蒸镀50 nm铜薄膜后取出；
7、样品剥离；用乙醇浸泡步骤6中制备的样品，将多余的金去掉，实现顶层结构的制备；
8、样品性能测试；使用傅里叶光谱仪测试样品光谱，样品在5.6 μm处有最大吸收（>85%）；并测试探测器的光谱响应信号，类似图5所示，具有波长选择探测性能。
以上具体实施例，对本发明技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，包括依次叠合的衬底层（1）、下电极层（2）、热电材料层（3）、上电极层（4）；改变热电材料层的厚度和互联型金属人工微结构的形状和尺寸，实现不同波长红外信号的探测；其中：
所述衬底层（1），采用无粘性的聚酰亚胺薄膜，厚度为5-100µm；
所述下电极层（2），为金属薄膜，厚度为50-200 nm；
所述热电材料层（3），根据探测波长确定热电材料层的厚度，厚度为10-2000 nm；
所述上电极层（4），用于实现单通道或多通道的光吸收波长和强度的控制；采用柔性超构表面结构，具体为亚波长周期性互联型金属人工微结构阵列，其厚度为20-200 nm。
2. 根据权利要求1所述的柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，所述微结构阵列由微结构单元二维延拓得到；具体地，由微结构单元在水平和垂直方向进行周期性延拓排布形成面元，亦称子阵列，微结构单元延拓周期为1-10 μm；再由多个面元组合形成微结构阵列；微结构阵列的面积大小为50 μm2-1 mm2；单个面元内微结构单元相同，不同面元的微结构单元相同或者不同。
3.根据权利要求2所述的柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，所述微结构阵列的微结构单元形状为条形光栅、圆形孔、方形孔或十字形。
4.根据权利要求1所述的柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，所述下电极层(2)的材料选自金、银、铜、铝、钨、铋、钽和铼。
5.根据权利要求1所述的柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，所述热电材料层（3）的材料选自聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯二元聚合物、锆钛酸铅、钛酸锶钡、氮化铝或氧化锌薄膜。
6.根据权利要求1所述的柔性超构表面红外热释电探测器，其特征在于，所述上电极层（4）选自金、银、铜、铝、钨、铋、钽和铼。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN108831988A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-11-16 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器 |
| CN109813448A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 双谱超表面集成非制冷红外探测器及制作方法 |
| CN110118605A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 |
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2022
- 2022-07-07 CN CN202210801601.7A patent/CN115241316A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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