發(fā)布時間：2020-09-30 09:55

　　 紫外探測技術在空間探測、高溫導彈尾焰探測等軍事領域和水污染檢測、臭氧空洞探測等民事領域都有著非常重要的應用,紫外探測技術的核心部分在于紫外探測器。在紫外探測器有源層材料的選取方面,ZnO材料由于其本征可見盲、帶隙可調節(jié)范圍大、飽和載流子漂移速率高、抗輻射性能強、工作電壓低、制備手段多樣、源材料豐富等優(yōu)勢,被認為是制備新一代可見盲及日盲紫外探測器的理想材料。經過多年研究,ZnO基紫外探測器已經取得了長足的發(fā)展,不同探測截至波長、不同器件結構的器件紛紛被報道,但是,其性能距離實用化水平還有一定距離,還存在著一些科學和技術上的問題有待解決。例如,高質量的薄膜是實現(xiàn)高性能紫外探測器的基礎,因此如何在大范圍調節(jié)Zn Mg O禁帶寬度的同時盡可能的提高材料的晶體質量是目前Zn Mg O紫外探測器領域的熱點和難點問題。此外,隨著紫外探測器應用領域的不斷拓展,人們對探測器響應的光譜選擇性提出了更高的要求,如何實現(xiàn)具有高波長選擇性的ZnO基探測器也是該領域急需解決的問題。本論文針對上述問題進行了相關的研究工作,并取得了突破性的成果。具體結果如下:1.利用等離子體輔助分子束外延設備在c面藍寶石襯底上制備了高質量的ZnO和ZnMgO薄膜,研究襯底溫度對ZnMgO薄膜的帶隙及結晶質量的調控作用。提出低襯底溫度是實現(xiàn)組分接近的六角相和立方相Zn MgO同時共存的原因,且在低襯底溫度下實現(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,相對較低的襯底溫度抑制了生長過程中Zn原子在薄膜表面的逸出,因此獲得了相對較好的結晶質量,更適宜進行混相區(qū)探測器件的制備。在此基礎上我們實現(xiàn)了高性能的中紫外區(qū)和日盲紫外區(qū)探測器件,器件響應度可達258 A/W,暗電流低至75 pA,響應時間在百毫秒量級,紫外-可見抑制比最高可達四個量級。更值得突出說明的是,將該系列紫外探測器進行封裝后,日盲區(qū)響應度仍在6.8A/W以上,達到了可實用化水平。2.通過時域有限差分法理論模擬的方式驗證了在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。在藍寶石襯底上實現(xiàn)了紫外區(qū)消光峰(四極子共振)強度與可見區(qū)(偶極子共振)的接近的隨機分布的Ag納米顆粒團簇,并可通過Ag納米顆粒形貌及尺寸的調控可以實現(xiàn)消光峰強度和頻率的調控。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,進而實現(xiàn)了ZnO的室溫光致發(fā)光在紫外區(qū)明顯增強(約1.5倍)。3.制備了具有條狀電極的Ag納米粒子覆蓋的ZnO光電導型紫外探測器件,相比于同結構的沒有Ag納米粒子覆蓋的ZnO紫外探測器件,380 nm處的峰值響應度由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,光響應譜半峰寬窄至10 nm,提高了器件靈敏度的同時也提高了探測的波長選擇性。這種光譜選擇性和探測靈敏度的提高是由Ag納米顆粒的高階共振模式的表面等離極化激元與ZnO的激子響應區(qū)域的能量匹配與能量轉移、表面覆蓋Ag金屬對接收紫外光強度的削弱、表面Ag修飾帶來的鈍化和局域肖特基結效應這三種因素共同作用所引起的。首次實現(xiàn)了利用高階共振模式的金屬表面等離極化激元進行探測器的增強,對研究金屬表面等離極化激元高階共振模式的原理及進行高光譜選擇性探測器的制備提供了參考。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN23
【部分圖文】：

太陽輻射在大氣層外（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]，紫外探測技術在軍用方面還有許多優(yōu)勢，比如提強，虛警率低，隱蔽性好等。紫外-紅外雙波段天基預軍事領域應用的一個很好的例子，單獨的紅外天基預干擾，增加了圖像處理的難度同時虛警率高，如果搭以根據(jù)紫外區(qū)的特征譜線判斷是否為來襲導彈。高溫豐富的特征譜線，并且不同燃料成份的導彈尾焰的光，借助數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以計算出導彈的燃料種類，預標地點，這一點是傳統(tǒng)的紅外天基預警系統(tǒng)所難以

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

基于高階共振模式的金屬表面等離子體增強型 ZnO 紫外探測器的制備和研究1.2.2 半導體紫外光電探測器的基本原理和分類半導體紫外光電探測器是利用內光電效應來進行探測的光電器件。當波長小于材料帶隙（Eg）的光子輻射到材料表面時，被材料吸收，產生光生載流子，光生載流子在自建電場或外加電場的作用下，在材料內部漂移并被電極收集，改變了材料的電學性質，這樣就實現(xiàn)了從光信號到電信號的轉變。按照有無結效應可被分為光電導型器件（光敏電阻）和光伏型器件（光敏二極管）[9]。各種光電探測器的基本結構如圖 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：2830682