[發(fā)明專利]金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快探測結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710075997.0
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN106684199B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張志東;趙學(xué)峰;崔建功;閆樹斌;薛晨陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L31/0232;G01J5/10
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快探測結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著海陸空一體化戰(zhàn)略的迅速發(fā)展，“高超”武器的突破性進(jìn)展，使得目標(biāo)運動速度大大加快，大量航空航海裝備對跟蹤系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)性能、快速紅外成像識別技術(shù)提出了更高的要求。在越來越激烈的海洋爭端中，實現(xiàn)對特定光信號的探測與響應(yīng)、快速成像顯示至關(guān)重要，快速響應(yīng)光電探測器是實現(xiàn)艦船預(yù)警跟蹤、軌跡預(yù)測、近程監(jiān)視、艦船識別、海岸成像、夜間導(dǎo)航、精確定位的關(guān)鍵。針對海上復(fù)雜的氣候條件，中波紅外（3-5μm）和長波紅外（8-12μm）波段的波被大氣中的水蒸氣和二氧化碳吸收最少，但是，各自波段紅外探測的性能都有一定的缺陷。所以，必須實現(xiàn)對中波紅外和長波紅外協(xié)作探測的快速探測，以適應(yīng)瞬息萬變的海上作戰(zhàn)環(huán)境。

石墨烯十分堅硬并且可以導(dǎo)電，甚至還能夠吸收紫外、THz波段的光。目前已經(jīng)證明石墨烯對光具有極度敏感的熱載體反應(yīng)，這使得石墨烯在理論上具有很大的潛力成為照相機(jī)的傳感器、光伏電池甚至光線通訊工具。石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)已經(jīng)被證明具有獨特的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的光電性能，以及優(yōu)異的光伏特性，可以被應(yīng)用在光電探測領(lǐng)域。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)性能，經(jīng)加工還可獲得高靈敏度的磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性，是制備新型輕薄傳感器最有潛質(zhì)的材料。以往的研究中，石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)由于存在較高的暗電流，從而影響了其作為光電探測器的探測能力。光電信號的快速探測與響應(yīng)對于瞬息萬變的現(xiàn)代化戰(zhàn)場指令的傳達(dá)和實施至關(guān)重要，信號的噪聲直接影響了指令信號的準(zhǔn)確發(fā)出。因此，急需采用新材料、新理論、新技術(shù)來開發(fā)制造新一代的慣性導(dǎo)航器件的高精度部件。

發(fā)明內(nèi)容

石墨烯優(yōu)越的電子和光學(xué)性質(zhì)使得石墨烯在光子學(xué)和光電學(xué)方面具有很大的潛力，包括超快光電探測器、光學(xué)調(diào)節(jié)器、等離子設(shè)備和超快激光等。但是石墨烯較弱的光吸收能力（單原子層光吸收率為2.3%）是阻礙石墨烯光探測器響應(yīng)率提高的主要原因之一。針對目前采用石墨烯制作的光電探測器由于光生載流子較少使得靈敏度受限、傳輸速度較慢等問題，本發(fā)明提出了基于表面生長一層二氧化硅的硅基片的金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快光電探測結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快探測結(jié)構(gòu)，包括Si基底，Si基底上生長有一層二氧化硅，二氧化硅層上設(shè)有一層石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上兩側(cè)分別都設(shè)有方塊狀金屬Au塊，兩方塊狀金屬Au塊之間的石墨烯薄膜設(shè)有一層TiO，TiO層上均布有球狀金屬Ag，球狀金屬Ag上設(shè)有一層石墨烯薄膜覆蓋層，球狀金屬Ag之間具有納米級間隙。

本發(fā)明提出的金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快光電探測結(jié)構(gòu)，一方面，貴金屬超材料（球狀金屬Ag）結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振（SPR）效應(yīng)能夠有效增強(qiáng)石墨烯薄膜的吸光性能，使得石墨烯薄膜產(chǎn)生有效應(yīng)的光生載流子。另一方面，貴金屬超結(jié)構(gòu)的SPR效應(yīng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯薄膜光生載流子的產(chǎn)生。這兩方面導(dǎo)致光生載流子增加的機(jī)理使得該光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的探測性能。同時，由于石墨烯光生載流子的壽命約1ps，也就是石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命之內(nèi)得到有效收集才能形成有效的光電流。本項目中夾心層的貴金屬超材料結(jié)構(gòu)具有的納米級間隙使得光生載流子在電極間的傳輸時間壓縮到亞皮秒量級，故貴金屬超材料結(jié)構(gòu)的加入能夠使得石墨烯產(chǎn)生的光生載流子在其壽命內(nèi)得到有效的收集，其光響應(yīng)時間達(dá)到納秒量級，從而實現(xiàn)了超快速的光電探測。

因此，本發(fā)明開展金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快光電探測結(jié)構(gòu)的研究工作具有非常重要的研究意義和潛在應(yīng)用價值。對面向艦載高速光電跟蹤識別與成像技術(shù)，實現(xiàn)陣列化石墨烯光電探測器件的制備、兼容性封裝、艦載測試等一系列應(yīng)用技術(shù)以及航空航海“高超”裝備武器的光電跟蹤識別與紅外快速成像，實現(xiàn)響應(yīng)和指令的快速反應(yīng)和采取快速的應(yīng)對措施都具有重要的潛在應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快光電探測結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快光電探測結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖中：1-Si基底，2-二氧化硅，3-石墨烯薄膜，4-TiO，5-Au塊，6-球狀金屬Ag，7-石墨烯薄膜覆蓋層。

具體實施方式

金屬微納超結(jié)構(gòu)表面等離激元超快探測結(jié)構(gòu)，包括Si基底1，Si基底1上生長有一層二氧化硅2，二氧化硅2層上設(shè)有一層石墨烯薄膜3，石墨烯薄膜3上兩側(cè)分別都設(shè)有方塊狀金屬Au塊5，兩方塊狀金屬Au塊5之間的石墨烯薄膜3設(shè)有一層TiO4，TiO4層上均布有球狀金屬Ag6，球狀金屬Ag6上設(shè)有一層石墨烯薄膜覆蓋層7。