[發明專利]一種量子點近紅外氣體傳感器以及制備方法

有效

• 申請號: 202110604520.3
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113358595B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 劉歡;易飛;李華曜;嚴棋;梅穎穎;高亮;張建兵;唐江
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/359;G01N21/27;H01L27/144
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

1.一種量子點近紅外氣體傳感器，其特征在于，其包括光源、氣室、集成光學天線的量子點光電探測器以及信號處理電路，氣室設置在光源出射光方向上，集成光學天線的量子點光電探測器用于接收從氣室出射的光束，信號處理電路連通集成光學天線的量子點光電探測器，其中，集成光學天線的量子點光電探測器中，光學天線(5)和量子點薄膜(2)集成為一體，且光學天線(5)和量子點薄膜(2)之間具有絕緣層(4)，

其中，集成光學天線的量子點光電探測器包括襯底(1)、量子點薄膜(2)、絕緣層(4)、光學天線(5)、電極(3)、金屬層(6)和介質層(7)，其中，一層金屬層(6)層疊于襯底(1)上，一層介質層(7)層疊于金屬層(6)上，一層量子點薄膜(2)層疊于介質層(7)上，一層絕緣層(4)層疊在一層量子點薄膜(2)上，電極(3)設置在絕緣層(4)內且貼近在量子點薄膜(2)，光學天線(5)呈陣列狀設置在絕緣層(4)上，或者

集成光學天線的量子點光電探測器包括襯底(1)、量子點薄膜(2)、絕緣層(4)、光學天線(5)、電極(3)、金屬層(6)和介質層(7)，其中，一層金屬層(6)層疊于襯底(1)上，一層介質層(7)層疊于金屬層(6)上，光學天線(5)設置在介質層(7)上，絕緣層(4)覆蓋在光學天線(5)上且與介質層(7)相貼合，一層量子點薄膜(2)層疊于絕緣層(4)上，一對電極(3)設置在量子點薄膜(2)上，

其中，光學天線(5)為金屬Au制備的納米結構陣列，在量子點和光學天線中間添加一層絕緣層，能更好的增強光吸收，減小半峰寬，實現窄帶探測。

2.如權利要求1所述的一種量子點近紅外氣體傳感器，其特征在于，量子點薄膜為PbS量子點膠體溶液或者PbSe量子點膠體溶液制備，介質層(7)為SiO₂或者Si₃N₄，金屬層(6)為Au材質。

3.如權利要求2所述的一種量子點近紅外氣體傳感器，其特征在于，光學天線中心波長為1500和1650nm，半峰寬為50nm～100nm，品質因素Q值為15±0.5，PbS量子點薄膜在1200nm～1800nm范圍內實現不同的峰值吸收波長，光源為MEMS光源或LED光源。

4.如權利要求3所述的一種量子點近紅外氣體傳感器，其特征在于，信號處理電路由一個運算放大器和兩個負反饋電阻組成，該電路將輸入信號通過運放進行放大，并通過負反饋電阻控制信號放大倍數，從而獲得穩定且正確的信號輸出。

5.制備如權利要求1-4之一所述的量子點近紅外氣體傳感器的方法，其特征在于，其包括如下步驟：

(1)在預切割的襯底上，涂覆膠體量子點，作為光敏材料，通過物理法沉積Au形成電極，

(2)通過物理法在量子點薄膜表面沉積一層介質層材料充當絕緣層，用于隔絕水氧，從而能長期穩定光電探測器性能，

(3)通過電子束曝光工藝，在絕緣層上曝光出Au光學天線圖案，繼續進行電子束蒸發工藝沉積Au，最后去膠剝離得到單層Au天線，

(4)再通過鍵合的方式將量子點光電導器件與TO底座連接，制備出集成光學天線的光電探測器的TO器件，

(5)最后將TO器件、氣室、光源、信號處理電路結合并進行封裝，制備成量子點近紅外氣體傳感器。

6.制備如權利要求5所述的量子點近紅外氣體傳感器的方法，其特征在于，光學天線是利用金屬納米結構陣列作為光學諧振腔，通過納米尺度效應實現對光波響應帶的頻移作用，

光學天線為金屬Au制備的納米結構陣列，其包括多個相同的單元，其單元為圓盤狀或者十字形，通過改變金圓盤的半徑、周期、十字形的長、十字形寬或者介質層厚度，能獲得得到針對NH₃、CH₄的近紅外波段有較強吸收的光學納米天線器件，實現納米光學天線可調。

7.制備如權利要求6所述的量子點近紅外氣體傳感器的方法，其特征在于，通過調控PbS量子點合成過程中的溫度、各組分比例，在1200nm～1800nm范圍內實現不同的峰值吸收波長。