專利名稱：一種利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器的制作方法
一種利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器技術領域
本發明屬于光電探測器技術領域，具體是一種利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒增效的近紅外光電探測器。
背景技術：
近紅外輻射主要是指由熱源產生的780 3 OOOnm范圍的電磁波，輻射源溫度的變化決定了紅外輻射的能量分布，溫度越高紅外輻射對于的波長越趨于短波，因此，人們可以利用紅外輻射的探測來尋找、跟蹤熱源。這種應用在民用和軍用上有著廣闊的前景，例如人們利用近紅外探測器監控火災，在軍事方面，近紅外探測器可廣泛應用于夜間觀察、軍事目標跟蹤等方面，而成為現代軍隊不可或缺的必備設備。
在光電探測器領域，光譜響應度是探測器的重要技術參數之一，目前紅外探測器正在向高分辨率、高靈敏度發展。隨著紅外探測器技術的發展，對其性能指標提出了更高的要求，如精確測量紅外探測器的光譜響應度及響應度均勻性等方面。因此提高光電探測器的光譜響應度是光電探測器的重要關鍵技術之一。
表面等離子體激元是光與金屬或半導體材料表面的自由電子之間的相互作用形成的一種電磁波傳輸模式。這種電磁波模式可將電磁波局域在亞波長的范圍內形成共振和傳輸，電磁波在納米表面形成極高的光學局域效應。當入射電磁波照射到具有納米尺度的金屬納米顆粒表面時，入射電磁波中的電場成分與納米顆粒表面的自由電荷形成強烈地相互作用，光場增強的幅度可達IO3 -IO7倍。這種顯著的光學增強效應使得納米顆粒在眾多領域實現應用，如金屬表面等離子體激元效應制備的增效太陽能電池。然而，金屬材質的納米顆粒一般只能在可見光范圍或在1000納米波長附近形成表面等離子體共振，無法實現大于1500納米波長的表面等離子體共振效應。氧化銦錫(ITO)納米顆粒因其較低的共振頻率，而可實現長波長1000納米到 3000納米范圍內的表面等離子體共振，因此利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒的表面等離子體共振效應可提高近紅外光電探測器在近紅外1000納米到3000納米的光電探測靈敏度。發明內容
技術問題本發明的目的是克服已有技術的不足，提供一種利用氧化銦錫(ITO) 納米顆粒增效的近紅外光電探測器。通過利用溶膠凝膠法在光電轉換材料上表面或下表面制備一層氧化銦錫(ITO)納米顆粒，并利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒在近紅外的表面等離子體共振效應，使入射電磁波的光場能量得到局域化增強，增加入射電磁波在光電轉換材料上的吸收，從而提高光電轉換效率。利用該增效方法可大幅提升近紅外光電探測器的探測靈敏度。
技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，該近紅外探測器從上到下依次包括高紅外透過率的透明玻璃、透明電極、光電轉換材料、氧化銦錫納米顆粒及背電極；入射紅外輻射經過透明玻璃、透明電極和光電轉換材料后，部分紅外輻射被局域在氧化銦錫納米顆粒表面，產生散射并形成表面等離子體激元傳輸模式，增加了入射電磁波在光電轉換材料中的有效傳輸距離。
優選的，在探測器的光電轉換材料與背電極或光電轉換材料與透明電極之間制備有一層氧化銦錫納米顆粒。
優選的，氧化銦錫納米顆粒為納米球或納米棒或納米碟或納米方塊的納米結構。
優選的，透明電極的制備方法包括磁控濺射法、化學氣相沉積法、溶膠凝膠法、熱蒸發法及化學合成法中，透明電極的材質為高導電性的紅外透明材料。
優選的，光電轉換材料為Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs, InSb, HgCdTe, PbSnTe 等金屬或半導體材料及其摻雜材料中的任一種。
優選的，氧化銦錫納米顆粒是一種近紅外表面等離子體增強的納米介質材料，尺寸大小為幾個納米到數百納米之間，氧化銦錫納米顆粒的制備通過磁控濺射法、激活反應蒸發法、化學氣相沉積及溶膠凝膠法中的任一種制備。
優選的，背電極由金屬或導電半導體薄膜構成。
優選的，金屬或導電半導體薄膜包括鋁、金、銀、銅、不銹鋼、摻鋁氧化鋅或摻氟氧化錫等材料。
有益效果本發明與現有的技術相比具有以下的優點1、這種利用ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器，可大幅增加入射電磁波在光電轉換材料中的有效傳輸距離，進而極大地增加光電材料對入射電磁波的利用率，提高近紅外光電探測器整體的光電轉換效率，進而顯著提升近紅外光電探測器的靈敏度。
2、這種利用ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器，可以通過調節ITO納米顆粒大小和In、Sn含量比例來調節表面等離子體共振峰的位置，可輕易地調制到需要增效的波長位置。
3、這種利用ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器，具有制備方法多樣化，適用于各類光電轉換材料，同時能一定程度地減小光電材料的用量，減低近紅外光電探測器的生產成本，可獲得可觀的經濟效益。
圖1是一種利用ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器的結構示意圖； 圖2是ITO納米顆粒處于光伏層與背電極之間的截面結構示意圖；圖3是ITO納米顆粒處于光伏層與透明電極之間的截面結構示意圖。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明進行說明。
本發明所提出的一種利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒增效的近紅外光電探測器，從結構上看，光電探測器制作過程中，在光電探測器的光電轉換材料與背電極或透明電極之間制備出一層ITO納米顆粒。ITO納米顆粒形狀包括納米球，納米棒、納米碟、納米方塊等各種納米結構。納米顆粒粒徑大小范圍為數納米到幾百納米。當近紅外光電探測器工作時， 入射電磁波經過透明玻璃、透明電極和光伏層后，被局域在ITO納米顆粒表面，產生強烈散射并形成橫向傳輸的表面等離子體激元模式，因此大幅增加了入電磁波在光電材料中的有效傳輸距離，從而提高光電材料對入射電磁波的吸收率，增加光電探測器的光電轉換效率， 提高探測器的靈敏度。
參見圖1，本發明提供的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器從上到下依次包括高紅外透過率的透明玻璃1、透明電極2、光電轉換材料3、氧化銦錫納米顆粒4 及背電極5;入射紅外輻射經過透明玻璃1、透明電極2和光電轉換材料3后，部分紅外輻射被局域在氧化銦錫納米顆粒4表面，產生散射并形成表面等離子體激元傳輸模式，增加了入射電磁波在光電轉換材料3中的有效傳輸距離。
在探測器的光電轉換材料3與背電極5或光電轉換材料3與透明電極2之間制備有一層氧化銦錫納米顆粒4。
氧化銦錫納米顆粒4為納米球或納米棒或納米碟或納米方塊的納米結構。
透明電極2的制備方法包括磁控濺射法、化學氣相沉積法、溶膠凝膠法、熱蒸發法及化學合成法中，透明電極2的材質為高導電性的紅外透明材料。
光電轉換材料3 為 Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAsJnSb、HgCdTe、PbSnTe 等金屬或半導體材料及其摻雜材料中的任一種。
氧化銦錫納米顆粒4是一種近紅外表面等離子體增強的納米介質材料，尺寸大小為幾個納米到數百納米之間，氧化銦錫納米顆粒4的制備通過磁控濺射法、激活反應蒸發法、化學氣相沉積及溶膠凝膠法中的任一種制備。
背電極5由金屬或導電半導體薄膜構成。
金屬或導電半導體薄膜包括鋁、金、銀、銅、不銹鋼、摻鋁氧化鋅、摻氟氧化錫等材料。
本發明所提出的一種利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其中ITO納米顆粒的制備方式可以有多種物理化學方法，主要包括磁控濺射法、激活反應蒸發法、化學氣相沉積及溶膠凝膠法等制備方法。對于溶膠凝膠法，ITO納米顆粒的表面等離子體共振峰位置可以通過先驅溶液中化和Sn的含量比來調配ITO納米顆粒的諧振峰位置，從而可以實現近紅外探測器增強峰位置可調的特性。
本發明所提出的一種利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒增效的近紅外光電探測器，是基于光伏轉換原理的光電探測器，探測器的光電轉換材料包括Si、Ge、Si、Au、Cu、Hg、InAs, InSb.HgCdTe.PbSnTe等金屬或半導體材料及其摻雜材料。制作方法包括磁控濺射、分子束外延、化學氣相沉積、高溫蒸鍍、高溫摻雜等制備方法。
本發明所提出的一種利用氧化銦錫(ITO)納米顆粒增效的近紅外光電探測器，從結構上看如圖1所示，主要包括透明玻璃1、透明電極2、光伏材料3、ITO納米顆粒4及背電極5構成。透明電極2主要包括摻鋁氧化鋅或摻氟氧化錫等材料，一般可以通過磁控濺射法、化學氣相沉積法(CVD)、溶膠凝膠法、熱蒸發法及化學合成法等各種方法在透明玻璃 1上制備，厚度為數納米到數百納米。透明電極2完成之后，可通過兩種順序完成ITO納米顆粒4和光電轉換材料3的制備i)先制備光電轉換材料3再制備ITO納米顆粒4(如圖2所示)；ii)先制備納米顆粒4再制備光電轉換材料3(如圖3所示)。光電轉換材料主要可以通過磁控濺射、分子束外延、化學氣相沉積、高溫蒸鍍、高溫摻雜等制備方法。材料包括各類金屬或半導體及其摻雜材料，如Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs, InSb, HgCdTe, PbSnTe等， 厚度一般為幾十納米到數毫米。制備ITO納米顆粒主要可以通過磁控濺射法、激活反應蒸發法、化學氣相沉積及溶膠凝膠法等多種方法制備。納米粒徑大小從數納米到數百納米不等。最后通過高溫蒸鍍、磁控濺射等制備工藝制備出一層金屬或金屬氧化物導電電極5， 材料可為鋁、金、銀、銅、不銹鋼、摻鋁氧化鋅、摻氟氧化錫等金屬或金屬氧化物材料，厚度不限，以導電性能佳為宜。通過這一系列的制備方法，即可完成這種ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器的制備。
本發明所涉及到的ITO增效方法具體實現如下當熱源輻射的電磁波入射到ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器上時，入射電磁波穿過透明玻璃1和透明電極2，與ITO納米顆粒4發生強烈的光學相互作用，電磁波被局域在ITO納米顆粒附近區域，產生強烈的散射作用，并形成表面等離子體模式。這種強烈的局域化增強的效果，可使ITO納米附近的電場強度提高到入射電磁場場強大小的數百倍。通過這種作用即可以增加光電轉換材料3對入射電磁波的吸收率，增加近紅外光電探測器的靈敏度，同時還可以減少近紅外光電探測器中光電轉換材料的厚度，降低其生產成本。
在具體的實施方式和操作過程中，根據不同的光電轉換材料制備的近紅外光電探測器而有所不同。以下所有實施例都是在以本發明技術方案為前提下進行實施，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1 采用溶膠凝膠法制備ITO納米顆粒首先在稀硝酸中溶解一定量的金屬銦并通過蒸發結晶制備出五水硝酸銦晶體，然后稱量一定量的五水硝酸銦放入三口燒瓶中，加入一定量的乙酰丙酮，同時加入少許冰醋酸最為溶膠穩定劑，邊攪拌邊加熱數分鐘后再將乙醇溶液均勻混合上述溶液，并再次攪拌數分鐘可得到ITO穩定溶膠，待溶膠制備好后旋涂需要制備的透明導電玻璃上，加熱可得ITO納米顆粒4。
實施例2 制備ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器在透明玻璃1上通過磁控濺射制備一層摻鋁氧化鋅作為透明電極2，厚度為10-50納米。通過旋涂法在透明電極上旋涂一層溶膠凝膠法制備的ITO納米顆粒4，顆粒大小為數納米到數百納米，制備完ITO納米顆粒4后，通過化學氣相沉積的方法在附有ITO納米顆粒4 的透明電極2上分別制備P型和N型的InAs半導體材料作為光電轉換材料3，最后在InAs 半導體材料上通過真空高溫蒸鍍的方法制備一層數微米的鋁膜作為背電極5，從透明電極 2和背電極5引出信號接線，即完成了 ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器的制備。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求
1.一種利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，該近紅外探測器從上到下依次包括高紅外透過率的透明玻璃(1)、透明電極(2)、光電轉換材料(3)、氧化銦錫納米顆粒(4)及背電極(5)；入射紅外輻射經過透明玻璃(1)、透明電極(2)和光電轉換材料(3)后，部分紅外輻射被局域在氧化銦錫納米顆粒(4)表面，產生散射并形成表面等離子體激元傳輸模式，增加了入射電磁波在光電轉換材料(3)中的有效傳輸距離。
2.根據權利要求1所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，在探測器的光電轉換材料(3)與背電極(5)或光電轉換材料(3)與透明電極(2)之間制備有一層氧化銦錫納米顆粒(4 )。
3.根據權利要求1或2所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，氧化銦錫納米顆粒(4)為納米球或納米棒或納米碟或納米方塊的納米結構。
4.根據權利要求1或2所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，透明電極(2)的制備方法包括磁控濺射法、化學氣相沉積法、溶膠凝膠法、熱蒸發法及化學合成法中，透明電極(2)的材質為高導電性的紅外透明材料。
5.根據權利要求1或2所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，光電轉換材料(3)為 Si、Ge、Zn、Au、Cu、Hg、InAs, InSb、HgCdTe、PbSnTe 等金屬或半導體材料及其摻雜材料中的任一種。
6.根據權利要求1或2所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，氧化銦錫納米顆粒(4)是一種近紅外表面等離子體增強的納米介質材料，尺寸大小為幾個納米到數百納米之間，氧化銦錫納米顆粒(4)的制備通過磁控濺射法、激活反應蒸發法、化學氣相沉積及溶膠凝膠法中的任一種制備。
7.根據權利要求1或2所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，背電極(5)由金屬或導電半導體薄膜構成。
8.根據權利要求7所述的利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，其特征在于，金屬或導電半導體薄膜包括鋁、金、銀、銅、不銹鋼、摻鋁氧化鋅或摻氟氧化錫。
全文摘要
本發明屬于紅外探測器領域，具體涉及一種利用氧化銦錫納米顆粒增效的近紅外光電探測器，該近紅外探測器從上到下依次包括高紅外透過率的透明玻璃(1)、透明電極(2)、光電轉換材料(3)、氧化銦錫納米顆粒(4)及背電極(5)；入射紅外輻射經過透明玻璃(1)、透明電極(2)和光電轉換材料(3)后，部分紅外輻射被局域在氧化銦錫納米顆粒(4)表面，產生散射并形成表面等離子體激元傳輸模式，增加了入射電磁波在光電轉換材料(3)中的有效傳輸距離。這種利用ITO納米顆粒增效的近紅外光電探測器具有制備工藝多樣化，制作成本低，增效諧振位置可調，靈敏度高等優點。
文檔編號H01L31/032GK102522438SQ20111041987
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者張彤, 張曉陽, 朱圣清 申請人:東南大學