紫外探測(cè)技術(shù)在空間探測(cè)、高溫導(dǎo)彈尾焰探測(cè)等軍事領(lǐng)域和水污染檢測(cè)、臭氧空洞探測(cè)等民事領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用,紫外探測(cè)技術(shù)的核心部分在于紫外探測(cè)器。在紫外探測(cè)器有源層材料的選取方面,ZnO材料由于其本征可見(jiàn)盲、帶隙可調(diào)節(jié)范圍大、飽和載流子漂移速率高、抗輻射性能強(qiáng)、工作電壓低、制備手段多樣、源材料豐富等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是制備新一代可見(jiàn)盲及日盲紫外探測(cè)器的理想材料。經(jīng)過(guò)多年研究,ZnO基紫外探測(cè)器已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,不同探測(cè)截至波長(zhǎng)、不同器件結(jié)構(gòu)的器件紛紛被報(bào)道,但是,其性能距離實(shí)用化水平還有一定距離,還存在著一些科學(xué)和技術(shù)上的問(wèn)題有待解決。例如,高質(zhì)量的薄膜是實(shí)現(xiàn)高性能紫外探測(cè)器的基礎(chǔ),因此如何在大范圍調(diào)節(jié)Zn Mg O禁帶寬度的同時(shí)盡可能的提高材料的晶體質(zhì)量是目前Zn Mg O紫外探測(cè)器領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。此外,隨著紫外探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,人們對(duì)探測(cè)器響應(yīng)的光譜選擇性提出了更高的要求,如何實(shí)現(xiàn)具有高波長(zhǎng)選擇性的ZnO基探測(cè)器也是該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。本論文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的研究工作,并取得了突破性的成果。具體結(jié)果如下:1.利用等離子體輔助分子束外延設(shè)備在c面藍(lán)寶石襯底上制備了高質(zhì)量的ZnO和ZnMgO薄膜,研究襯底溫度對(duì)ZnMgO薄膜的帶隙及結(jié)晶質(zhì)量的調(diào)控作用。提出低襯底溫度是實(shí)現(xiàn)組分接近的六角相和立方相Zn MgO同時(shí)共存的原因,且在低襯底溫度下實(shí)現(xiàn)的混相Zn MgO薄膜由于組分接近,其具有單一的吸收邊。此外,相對(duì)較低的襯底溫度抑制了生長(zhǎng)過(guò)程中Zn原子在薄膜表面的逸出,因此獲得了相對(duì)較好的結(jié)晶質(zhì)量,更適宜進(jìn)行混相區(qū)探測(cè)器件的制備。在此基礎(chǔ)上我們實(shí)現(xiàn)了高性能的中紫外區(qū)和日盲紫外區(qū)探測(cè)器件,器件響應(yīng)度可達(dá)258 A/W,暗電流低至75 pA,響應(yīng)時(shí)間在百毫秒量級(jí),紫外-可見(jiàn)抑制比最高可達(dá)四個(gè)量級(jí)。更值得突出說(shuō)明的是,將該系列紫外探測(cè)器進(jìn)行封裝后,日盲區(qū)響應(yīng)度仍在6.8A/W以上,達(dá)到了可實(shí)用化水平。2.通過(guò)時(shí)域有限差分法理論模擬的方式驗(yàn)證了在ZnO表面的大尺寸Ag納米顆粒能夠激發(fā)表面等離極化激元,其共振模式以高階共振為主。在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了紫外區(qū)消光峰(四極子共振)強(qiáng)度與可見(jiàn)區(qū)(偶極子共振)的接近的隨機(jī)分布的Ag納米顆粒團(tuán)簇,并可通過(guò)Ag納米顆粒形貌及尺寸的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)消光峰強(qiáng)度和頻率的調(diào)控。此外,該銀納米顆粒的四極子等離子體共振可與ZnO的帶邊激子發(fā)光耦合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了ZnO的室溫光致發(fā)光在紫外區(qū)明顯增強(qiáng)(約1.5倍)。3.制備了具有條狀電極的Ag納米粒子覆蓋的ZnO光電導(dǎo)型紫外探測(cè)器件,相比于同結(jié)構(gòu)的沒(méi)有Ag納米粒子覆蓋的ZnO紫外探測(cè)器件,380 nm處的峰值響應(yīng)度由2.16 A/W提升至2.86 A/W,暗電流密度由60 mA/cm~2降低至38 m A/cm~2,光響應(yīng)譜半峰寬窄至10 nm,提高了器件靈敏度的同時(shí)也提高了探測(cè)的波長(zhǎng)選擇性。這種光譜選擇性和探測(cè)靈敏度的提高是由Ag納米顆粒的高階共振模式的表面等離極化激元與ZnO的激子響應(yīng)區(qū)域的能量匹配與能量轉(zhuǎn)移、表面覆蓋Ag金屬對(duì)接收紫外光強(qiáng)度的削弱、表面Ag修飾帶來(lái)的鈍化和局域肖特基結(jié)效應(yīng)這三種因素共同作用所引起的。首次實(shí)現(xiàn)了利用高階共振模式的金屬表面等離極化激元進(jìn)行探測(cè)器的增強(qiáng),對(duì)研究金屬表面等離極化激元高階共振模式的原理及進(jìn)行高光譜選擇性探測(cè)器的制備提供了參考。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN23
【部分圖文】：

太陽(yáng)輻射在大氣層外（頂部曲線）及地球表面的波段分布ibution of solar radiation outside the atmosphere (top curve) anearth[1]，紫外探測(cè)技術(shù)在軍用方面還有許多優(yōu)勢(shì)，比如提強(qiáng)，虛警率低，隱蔽性好等。紫外-紅外雙波段天基預(yù)軍事領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)很好的例子，單獨(dú)的紅外天基預(yù)干擾，增加了圖像處理的難度同時(shí)虛警率高，如果搭以根據(jù)紫外區(qū)的特征譜線判斷是否為來(lái)襲導(dǎo)彈。高溫豐富的特征譜線，并且不同燃料成份的導(dǎo)彈尾焰的光，借助數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以計(jì)算出導(dǎo)彈的燃料種類(lèi)，預(yù)標(biāo)地點(diǎn)，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的紅外天基預(yù)警系統(tǒng)所難以

此外由于其溫度變化受熱時(shí)間常數(shù)的制約，響應(yīng)速度也一般比較慢，目主要應(yīng)用在對(duì)輻射強(qiáng)度的標(biāo)定方面；光子探測(cè)器是利用光電效應(yīng)進(jìn)行工作的探器，具有波長(zhǎng)選擇性，在光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)，受照材料表面及內(nèi)部的電獲得能量改變，逸出材料表面（外光電效應(yīng)）或改變材料的電學(xué)性質(zhì)（內(nèi)光電應(yīng)），然后通過(guò)接收逸出的光電子或直接接收材料的電信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)光輻射的測(cè)，利用外光電效應(yīng)制備的探測(cè)器又被稱(chēng)為真空光電器件或光電管；利用內(nèi)光效應(yīng)制備的探測(cè)器稱(chēng)為固體光電器件，固體光電器件又可根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為光導(dǎo)型探測(cè)器和光伏型探測(cè)器。光子型探測(cè)器具有波長(zhǎng)選擇性，此外還具有高靈度、高響應(yīng)速度、可用于單光子探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。近些年，隨著光刻、晶圓生長(zhǎng)、蝕等半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體型紫外光電探測(cè)器以其高量子效率、高靈敏度高響應(yīng)度、低功耗等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為科研工作者的研究熱點(diǎn)[8]。

基于高階共振模式的金屬表面等離子體增強(qiáng)型 ZnO 紫外探測(cè)器的制備和研究1.2.2 半導(dǎo)體紫外光電探測(cè)器的基本原理和分類(lèi)半導(dǎo)體紫外光電探測(cè)器是利用內(nèi)光電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行探測(cè)的光電器件。當(dāng)波長(zhǎng)小于材料帶隙（Eg）的光子輻射到材料表面時(shí)，被材料吸收，產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在自建電場(chǎng)或外加電場(chǎng)的作用下，在材料內(nèi)部漂移并被電極收集，改變了材料的電學(xué)性質(zhì)，這樣就實(shí)現(xiàn)了從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。按照有無(wú)結(jié)效應(yīng)可被分為光電導(dǎo)型器件（光敏電阻）和光伏型器件（光敏二極管）[9]。各種光電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示。

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6 江若璉;姬小利;周建軍;謝自力;劉斌;韓平;張榮;鄭有p

本文編號(hào)：2830682