[發明專利]一種光頻響應電子隧穿結構、其制備方法和用途

有效

• 申請號: 201911167187.3
• 申請日: 2019-11-25
• 公開（公告）號: CN110993719B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 戴慶;李振軍;李馳;白冰;陳科;周圣涵
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01L31/108
• 分類號: H01L31/108;H01L31/0352;H01L31/0224;H01L31/0216;H01L31/02;H01L31/18;H01L27/144
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明涉及一種光頻響應電子隧穿結構、其制備方法和用途。本發明利用電子隧穿納米絕緣層所需時間在飛秒量級的特點，并利用納米增強結構提升天線對光頻電磁波輻射吸收能量，從而實現對光頻信號的檢測與能量收集，增強光頻響應效率，同時，可以現實紅外、可見或者紫外波段的光頻響應，響應速度可以超過現有商業化光電器件。本發明光頻響應電子隧穿結構具有響應時間快，像素面積在納米尺寸量級，可廣泛應用于光頻探測、輻射能量收集、高分辨成像等領域的優勢。

技術領域

本發明屬于光頻響應技術領域，具體涉及一種光頻響應電子隧穿結構、其制備方法和用途。

背景技術

光頻響應是指將紅外-可見光通過與其波長相匹配的光電功能結構實現光頻信號傳遞和能量轉化的物理過程，其顯著特點是整流頻率在到10¹³-10¹⁵Hz范圍內，超出了現有半導體材料的工作頻率極限。由于紅外-可見光與人類生活、生產密切相關，光頻整流過程的研究必將在光電探測、太陽能電池、無線能量傳輸、納米光子學、紅外傳感成像等領域作用巨大。例如，可完成不同偏振光信號疊加和分解的光學運算器，可晝夜工作的大氣輻射能量收集器，模擬植物光合作用過程等。同時，光頻整流具有頻譜寬、體積小、成本低的特點，涵蓋現有光纖通信波長，信息傳輸速率可超過太赫茲(THz)電磁波，意義重大。

盡管從過程上看，光頻整流與微波、射頻、太赫茲天線等具有諸多相似之處，但由于電磁波的波長與其頻率負相關，特別是可見光范圍內的電磁波波長已在百納米量級。此尺寸范圍內實現復雜光頻響應過程，無論是物理空間還是響應速度均面臨眾多技術難題。

目前實現光頻響應需要解決兩個基本問題：(1)選擇合適的光頻響應過程。半導體材料受載流子遷移速率限制，工作截止頻率在10¹¹Hz左右，無法與光頻匹配。盡管原子核振動、價鍵扭轉、電荷分離、材料相變等眾多過程均具有超快特性，但其在過程控制、結構制備、應用集成等方面均有一定限制，所以選取合適物理過程實現光頻整流尤為關鍵；(2)提高光頻電磁波與整流結構的耦合效率。與傳統微波天線內部存在電流不同，金屬材料已無法作為紅外-可見電磁波的完美導體，而以激發表面等離激元(SPP)的形式來響應光頻電磁波，完成傳輸，其效率仍需提升。

因此，本領域需要開發一種新型光頻響應器件，所述光頻響應器件可以增強光頻響應效率，獲得實用化應用。

發明內容

針對現有技術中整體光頻響應效率極低的問題，本發明的目的在于提供一種光頻響應電子隧穿結構、其制備方法和用途。本發明利用電子隧穿納米絕緣層所需時間在飛秒量級的特點，并利用納米增強結構提升天線對光頻電磁波輻射吸收能量，從而實現對光頻信號的檢測與能量收集，增強光頻響應效率。

為達上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的目的之一在于提供一種光頻響應電子隧穿結構，所述光頻響應電子隧穿結構包括由下到上依次設置的基底、下層電極、納米隧穿層和上層電極；

所述下層電極包括第一基體及設置于所述第一基體上的電子隧穿尖端和納米增強結構；

所述上層電極包括第二基體及設置于所述第二基體上的納米增強結構；

所述下層電極和上層電極不重疊，下層電極和上層電極之間的最短距離為T，所述T為下層電極的電子隧穿尖端自由端與上層電極相距最近的點a的距離，所述T為0.1～10nm，所述納米絕緣層覆蓋電子隧穿尖端，所述點a位于納米絕緣層上。所述T的取值例如0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm等。

本發明所述第一基體和第二基體組合為光學天線。

本發明所述光頻響應電子隧穿結構的結構參考圖1，包括基底1、下層電極8、上層電極3、納米隧穿層9、電子隧穿尖端2和納米增強結構4。