基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型ZnO紫外探测器的制备和研究

发布时间：2020-09-30 09:55

　　紫外探测技术在空间探测、高温导弹尾焰探测等军事领域和水污染检测、臭氧空洞探测等民事领域都有着非常重要的应用,紫外探测技术的核心部分在于紫外探测器。在紫外探测器有源层材料的选取方面,ZnO材料由于其本征可见盲、带隙可调节范围大、饱和载流子漂移速率高、抗辐射性能强、工作电压低、制备手段多样、源材料丰富等优势,被认为是制备新一代可见盲及日盲紫外探测器的理想材料。经过多年研究,ZnO基紫外探测器已经取得了长足的发展,不同探测截至波长、不同器件结构的器件纷纷被报道,但是,其性能距离实用化水平还有一定距离,还存在着一些科学和技术上的问题有待解决。例如,高质量的薄膜是实现高性能紫外探测器的基础,因此如何在大范围调节Zn Mg O禁带宽度的同时尽可能的提高材料的晶体质量是目前Zn Mg O紫外探测器领域的热点和难点问题。此外,随着紫外探测器应用领域的不断拓展,人们对探测器响应的光谱选择性提出了更高的要求,如何实现具有高波长选择性的ZnO基探测器也是该领域急需解决的问题。本论文针对上述问题进行了相关的研究工作,并取得了突破性的成果。具体结果如下:1.利用等离子体辅助分子束外延设备在c面蓝宝石衬底上制备了高质量的ZnO和ZnMgO薄膜,研究衬底温度对ZnMgO薄膜的带隙及结晶质量的调控作用。提出低衬底温度是实现组分接近的六角相和立方相Zn MgO同时共存的原因,且在低衬底温度下实现的混相Zn MgO薄膜由于组分接近,其具有单一的吸收边。此外,相对较低的衬底温度抑制了生长过程中Zn原子在薄膜表面的逸出,因此获得了相对较好的结晶质量,更适宜进行混相区探测器件的制备。在此基础上我们实现了高性能的中紫外区和日盲紫外区探测器件,器件响应度可达258 A/W,暗电流低至75 pA,响应时间在百毫秒量级,紫外-可见抑制比最高可达四个量级。更值得突出说明的是,将该系列紫外探测器进行封装后,日盲区响应度仍在6.8A/W以上,达到了可实用化水平。2.通过时域有限差分法理论模拟的方式验证了在ZnO表面的大尺寸Ag纳米颗粒能够激发表面等离极化激元,其共振模式以高阶共振为主。在蓝宝石衬底上实现了紫外区消光峰(四极子共振)强度与可见区(偶极子共振)的接近的随机分布的Ag纳米颗粒团簇,并可通过Ag纳米颗粒形貌及尺寸的调控可以实现消光峰强度和频率的调控。此外,该银纳米颗粒的四极子等离子体共振可与ZnO的带边激子发光耦合,进而实现了ZnO的室温光致发光在紫外区明显增强(约1.5倍)。3.制备了具有条状电极的Ag纳米粒子覆盖的ZnO光电导型紫外探测器件,相比于同结构的没有Ag纳米粒子覆盖的ZnO紫外探测器件,380 nm处的峰值响应度由2.16 A/W提升至2.86 A/W,暗电流密度由60 mA/cm~2降低至38 m A/cm~2,光响应谱半峰宽窄至10 nm,提高了器件灵敏度的同时也提高了探测的波长选择性。这种光谱选择性和探测灵敏度的提高是由Ag纳米颗粒的高阶共振模式的表面等离极化激元与ZnO的激子响应区域的能量匹配与能量转移、表面覆盖Ag金属对接收紫外光强度的削弱、表面Ag修饰带来的钝化和局域肖特基结效应这三种因素共同作用所引起的。首次实现了利用高阶共振模式的金属表面等离极化激元进行探测器的增强,对研究金属表面等离极化激元高阶共振模式的原理及进行高光谱选择性探测器的制备提供了参考。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN23
【部分图文】：

分布情况,大气层,地球表面,太阳辐射

太阳辐射在大气层外（顶部曲线）及地球表面的波段分布ibution of solar radiation outside the atmosphere (top curve) anearth[1]，紫外探测技术在军用方面还有许多优势，比如提强，虚警率低，隐蔽性好等。紫外-红外双波段天基预军事领域应用的一个很好的例子，单独的红外天基预干扰，增加了图像处理的难度同时虚警率高，如果搭以根据紫外区的特征谱线判断是否为来袭导弹。高温丰富的特征谱线，并且不同燃料成份的导弹尾焰的光，借助数据分析系统可以计算出导弹的燃料种类，预标地点，这一点是传统的红外天基预警系统所难以

示意图,光电器件,光电管,固体

此外由于其温度变化受热时间常数的制约，响应速度也一般比较慢，目主要应用在对辐射强度的标定方面；光子探测器是利用光电效应进行工作的探器，具有波长选择性，在光波长小于某一临界值时，受照材料表面及内部的电获得能量改变，逸出材料表面（外光电效应）或改变材料的电学性质（内光电应），然后通过接收逸出的光电子或直接接收材料的电信号即可实现光辐射的测，利用外光电效应制备的探测器又被称为真空光电器件或光电管；利用内光效应制备的探测器称为固体光电器件，固体光电器件又可根据结构不同分为光导型探测器和光伏型探测器。光子型探测器具有波长选择性，此外还具有高灵度、高响应速度、可用于单光子探测等优点。近些年，随着光刻、晶圆生长、蚀等半导体技术的发展，半导体型紫外光电探测器以其高量子效率、高灵敏度高响应度、低功耗等优势，逐渐成为科研工作者的研究热点[8]。

光电探测器,基本结构,紫外光电探测器

基于高阶共振模式的金属表面等离子体增强型 ZnO 紫外探测器的制备和研究1.2.2 半导体紫外光电探测器的基本原理和分类半导体紫外光电探测器是利用内光电效应来进行探测的光电器件。当波长小于材料带隙（Eg）的光子辐射到材料表面时，被材料吸收，产生光生载流子，光生载流子在自建电场或外加电场的作用下，在材料内部漂移并被电极收集，改变了材料的电学性质，这样就实现了从光信号到电信号的转变。按照有无结效应可被分为光电导型器件（光敏电阻）和光伏型器件（光敏二极管）[9]。各种光电探测器的基本结构如图 1.4 所示。

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