[發明專利]一種鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導結構中紅外傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201310218339.4
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103311424A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 王麗;蘇雪瓊;王榮平;張新平;劉紅梅;魯毅;甘渝林
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導結構中紅外傳感器及其制備方法，屬于傳感器技術領域。

背景技術

硫系玻璃具有良好的半導體導電性、紅外透射光學性能、優良的非線性光學性能、對雜質的敏感性低等優點，是重要的光學材料與光電子材料，而且玻璃材料的制備工藝簡單、與金屬易封接、原材料便宜，因此受到廣泛深入的研究。在硫系玻璃中引入鹵化物后形成硫鹵玻璃，可降低玻璃的本征損耗，拓寬玻璃的透光范圍，覆蓋整個分子指紋區域（2.5-25μm），可作為中紅外傳感器波導芯片。鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜是一種具有較寬透射光譜范圍的硫鹵玻璃薄膜，同時在加熱過程中不易析晶，又因為不含有砷元素，不會對環境造成二次污染，是理想的中紅外傳感器核心芯片材料。尤其在涂覆不規則金屬納米島狀薄膜或顆粒后，利用表面等離子體增強效應，使得粒子等離子共振誘發的局域場增強，通過波導外逝場中光波激發表面等離子體波，實現傳感器對復雜環境進行實時迅速靈敏監測。

發明內容

本發明的目的是提供一種結構簡單，方法簡易，價格低廉，鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導結構中紅外傳感器及其制備方法。

本發明的一種鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導結構中紅外傳感器，它是在基底上從下向上依次是微納波導結構的鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜和無序金屬納米顆粒層，見圖1。基底和微納波導結構的鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜見圖2

其中鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜厚度優選1～10μm，波導微結構寬度優選10～50μm，深度優選1～5μm。金屬納米顆粒為金或銀，基底為玻璃、石英或硅片。

該鍺鎵碲硫鹵玻璃微納波導結構中紅外傳感器的制備方法包括以下步驟：

1）將鍺鎵碲塊體硫鹵玻璃加熱至500-800℃，變為熔融狀態；

2）利用倒置的勻膠臺，將固定在轉臺上的基底接觸步驟1）熔融態的鍺鎵碲材料上，轉速設定為1000-4000rpm,時間30-90s,制備成鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜；

3）將直徑為1-10nm的金屬納米顆粒，制備成40-100mg/ml的溶膠，采用旋涂法將金屬納米顆粒溶膠旋涂在步驟2）鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜上，轉速設定為1500-4000rpm,時間30-60s,制備成金屬膠體薄膜；

4）將二氧化硅波導結構模板倒扣在步驟3）制備好的多層薄膜上，放入熱膜氣壓印裝置，密封，抽真空，然后將基底加熱到500-800℃，使薄膜軟化；

5）充入氮氣，將鍺鎵碲硫鹵玻璃薄膜和二氧化硅波導結構模板上下空間真空度差值達到10²-10⁴Pa，保持壓差3-8分鐘；

6）停止加熱，充入氮氣使薄膜和模板上下密閉空間達到大氣壓，取出樣品。

步驟4）所用的熱膜氣壓印裝置將圖3，其剖面圖見圖4。包括金屬外罩和金屬內罩，金屬外罩由分別獨立的外罩上蓋和外罩下底座組成，外罩下底座是底面開孔的桶狀結構，金屬內罩在金屬外罩底座的空腔內，金屬內罩為上端開口、下端與外罩下底座密封連接的空腔結構，外罩下底座的開孔與金屬內罩的下端口一樣，外罩上蓋設有通氣管（S1）；金屬內罩的空腔內設有加熱板，加熱板與金屬內罩密封焊接在一起，在金屬內罩的側面設有通氣管（S2），通氣管（S2）位于加熱板之上，金屬內罩的通氣管（S2）從金屬內罩伸出，延伸至外罩外部，金屬內罩的上端口蓋有獨立的具有微納級波導結構的模板（A1），加熱板與金屬內罩上端口（A3）垂直距離為5mm，金屬外罩和金屬內罩均為圓筒狀；加熱板是金屬管與金屬內罩焊接而成的傳熱金屬板，對硫系玻璃薄膜加熱，同時還起到密封的作用。

使用方法，包括以下步驟：

（1）按照所需的波導結構形狀、寬度和深度，制備微納級波導結構模板A1；

（2）將步驟（1）制備的微納級波導結構模板（A1）反扣在硫系玻璃薄膜（A2）上，將微納級波導結構模板（A1）和硫系玻璃薄膜（A2）水平放置在金屬內罩上端口（A3）上，使得微納級波導結構模板（A1）在硫系玻璃薄膜（A2）的上方，在微納級波導結構模板（A1）上方壓上一固定器，蓋上金屬外罩上蓋，將硫系玻璃薄膜微納波導結構的熱膜氣壓印裝置分為兩個獨立空間；

3）通過外罩上蓋上通氣管（S1）與金屬內罩的通氣管（S2），利用機械泵同時對兩個獨立密閉空間抽真空，抽真空過程中保持兩個空間真空度相同；對加熱板通電，升溫至硫系玻璃薄膜軟化溫度，使薄膜至熔融軟化狀態；