鉛鹽中紅外探測器及其制備方法
【專利說明】鉛鹽中紅外探測器及其制備方法
【背景技術】
[0001] 光電探測器（photodetector)是接收光能（光或其他電磁福射）并將其轉化為電 能（例如，電流）的裝置。未冷卻的光導探測器（即，在操作過程中不需要冷卻的探測器） 經常比其他更靈敏但是需要冷卻的探測器優選，因為未冷卻的光導探測器可以在室溫下操 作。
[0002] 自從20世紀30年代以來，經過許多年的研發，高溫低成本的PbS和PbSe多晶光 導探測器仍然是1-3ym和3-5ym光譜范圍內的許多應用的選擇。首先通過在基底（例如 硅）上沉積鉛鹽層（例如，PbSe、PbS或PbTe)來制備鉛鹽光導探測器。與沉積技術無關， 原樣生長（as-grown)的鉛鹽多晶膜是"死的"或不靈敏的，直至在稱為敏化的工藝中通過 在某種氣氛中進行熱處理使其有響應從而對紅外輻射變得靈敏。
[0003] 化學沉積的鉛鹽膜，例如鉛硒化物和鉛硫化物膜，具有用于探測中紅外輻射的非 常期望的性能。因此，鉛硒化物和鉛硫化物光導探測器變得極其重要，特別是在針對噴氣機 或火箭推動的航行器和導彈的軍事防御領域。為了獲得最多信息和增強背景識別，期望以 復雜或精致的陣列圖案的形式形成具有高探測靈敏度的鉛鹽膜。遺憾的是，很難通過標準 化學溶液方法生產在未冷卻的溫度下滿足期望靈敏度的鉛鹽膜（即，不需要通過外部冷卻 裝置例如低溫冷卻器來冷卻的溫度）。因此，如何改善通過化學溶液方法生產的未冷卻的中 紅外鉛鹽探測器的探測靈敏度并且進一步降低成本已經成為研究的領域。
【附圖說明】
[0004] 在附圖中說明本發明公開的構思的許多【具體實施方式】。但是，需要注意的是，附 圖僅用于說明一些典型的【具體實施方式】，因此不期望被理解成限制本發明公開的構思的范 圍。而且，在附圖中，相同或相似的附圖標記或字母可用于表示相同或類似元件，并且并不 是所有這種元件都是這樣編號的。附圖不需要按比例繪制，并且為了清楚和簡要，附圖的某 些視圖可能放大或者示意性表示。
[0005] 圖1顯示了PbSe多晶膜的SEM圖像（俯視圖和側視圖（插入））：(a)樣品I是原 樣生長的，（b)樣品II是在380°C在純氮氣中敏化和退火30分鐘，（c)樣品III是在380°C 在氮氣中敏化和退火20分鐘然后在氧氣中敏化和退火10分鐘，（d)樣品V是在380°C在氮 氣中敏化和退火25分鐘然后在碘中敏化和退火5分鐘，（e)樣品IV是在380°C在純氧氣中 敏化和退火30分鐘，（f)樣品VI是在380°C在氧氣中敏化和退火25分鐘然后在碘中敏化 和退火5分鐘。
[0006] 圖2顯示了PbSe多晶膜的光致發光（PL)發射光譜：(a)樣品I是原樣生長的，（b) 樣品II是在380°C在純氮氣中敏化和退火30分鐘，（c)樣品III是在380°C在氮氣中敏化 和退火20分鐘然后在氧氣中敏化和退火10分鐘，（d)樣品IV是在380°C在純氧氣中敏化 和退火30分鐘，（e)樣品V是在380°C在氮氣中敏化和退火25分鐘然后在碘中敏化和退火 5分鐘，（f)樣品VI是在380°C在氧氣中敏化和退火25分鐘然后在碘中敏化和退火5分鐘， (g)樣品VII是在380°C在混合的氧氣和碘中敏化和退火5分鐘。
[0007] 圖3顯示了以下物質的X-射線衍射曲線：（a)在Si基底上原樣生長的PbSe膜， 和（b)敏化的PbSe膜，該敏化的PbSe膜在380 °C在氧氣氣氛中退火25分鐘，然后在碘氣氛 中退火5分鐘。
[0008] 圖4顯示了在380°C在純氧氣中退火30分鐘的敏化的PbSe的PL發射光譜的峰強 度與微晶尺寸之間的關系。
[0009] 圖5顯示了根據本發明公開的構思構建的探測器的一種【具體實施方式】的剖視圖。
[0010] 圖6顯示了根據本發明公開的構思構建的探測器的另一種【具體實施方式】的剖視 圖。
[0011] 圖7顯示了根據本發明公開的構思構建的光電探測器的另一種【具體實施方式】的 剖視圖。
【具體實施方式】
[0012] 本發明公開的構思提供了改善化學沉積的鉛鹽膜的探測靈敏度和降低鉛鹽膜光 導和光伏探測器的成本的可靠的方法。
[0013] 在通過示例性附圖、實驗、結果和實驗室流程詳細解釋本發明描述的構思的至少 一種【具體實施方式】之前，應該理解本發明構思的應用不限于以下說明書中記載的或者附 圖、實驗和/或結果解釋的構造的細節、組分和步驟的設置。本發明的構思能夠具有其他具 體實施方式并且能夠以各種方式實施或進行。同樣地，本文所用的語言意在被給予可能的 最寬范圍和意思；并且【具體實施方式】的意思是示例性的而非窮盡性的。而且，應該理解本文 采用的措辭和術語是用于描述的，并且不應被視為是限制性的。
[0014] 除非在本文中另有說明，與本發明公開的構思相關的科技和技術術語應具有本領 域技術人員通常理解的意思。而且，除非上下文另有要求，單數術語應該包括復數術語，并 且復數術語應該包括單數術語。通常，本文采用的命名法是公知的和本領域常用的。
[0015] 本說明書中提及的所有專利、已公開的專利申請和非專利出版物表示本發明公開 的構思所屬領域的技術人員的水平。本申請的任何部分引用的所有專利、已公開的專利申 請和非專利出版物，包括2013年3月6日提交的美國臨時申請號61/773, 664,和2013年 10月4日提交的美國臨時申請號61/887, 009,以引用的方式將它們全文明確并入本文，正 如以引用的方式將這些專利或出版物分別具體并入本文。
[0016] 根據本發明，可以進行和實施本發明公開的所有組合物和/或方法，無需進行過 度的實驗。當已經以【具體實施方式】的形式描述了本文公開的組合物和方法時，本領域技術 人員明白，變化可以適用于組合物和/或方法以及本文描述的方法的步驟或者步驟順序， 而不背離本公開的構思、精神和范圍。本領域技術人員明白的所有這些類似的替代和改變 視為在隨附的權利要求限定的本發明構思的精神、范圍和構思內。
[0017] 除非另有說明，根據本公開采用的以下術語應該理解為具有以下意思：
[0018] 當在權利要求書和/或說明書中與術語"包括"一起使用時，采用"一個"或"一種" 可以表示"一種"，也可以與"一種或多種"、"至少一種"和"一種或多于一種"的意思一致。 除非明確說明僅表示替代或者各種替代物之間相互排斥，在權利要求書中采用術語"或"來 表示"和/或"，盡管本公開支持僅表示替代和"和/或"的定義。采用術語"至少一種"應該 理解為包括一種、以及超過一種的任何數量，包括但不限于2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、 100種等。根據術語"至少一種"用于表示什么，術語"至少一種"可以擴展至不超過100或 1000種或更多種；并且，100或1000并不表示限制性的，因為更大的限度可能也能產生令 人滿意的結果。而且，使用術語"X、Y和Z中的至少一種"應理解為包括僅X、僅Y、和僅Z， 以及X、Y和Z的任意組合。在本申請全文中，術語"約"用于表示數值包括組合物或生產的 物品、用于制備組合物或生產的物品的方法、或者存在于組合物或生產的物品中或用于制 備組合物或生產的物品的方法中的變化的固有的誤差變化。例如，但是不限于，當采用術語 "約"時，指定值的變化可以加上或減去12%，或者加上或減去11%，或者加上或減去10%， 或者加上或減去9 %，或者加上或減去8 %，或者加上或減去7 %，或者加上或減去6 %，或者 或者加上或減去5 %，或者或者加上或減去4 %，或者加上或減去3 %，或者加上或減去2 %， 或者加上或減去1 %，或者加上或減去0. 5 %。
[0019] 在本文中采用的術語"基本上"指的是隨后描述的事情、情況或項目完全發生，或 者隨后描述的事情、情況或項目在很大程度或幅度上發生。例如，在一些【具體實施方式】中， 術語"基本上"表示隨后描述的事情、情況或項目以至少75%的次數發生，或者至少80%的 次數，或者至少85%的次數，或者至少90%的次數，或者至少95%的次數，或者至少98% 的次數。術語"基本上"可以用于表示純度，例如，術語"基本上純的"表示包含化合物的組 合物或混合物，其中組合物或混合物中的主要化合物占組合物或混合物的至少95%。術語 "純"可以包括"基本上純的"化合物或組合物。具有"低純度"的組合物通常含有小于50% 的主要氣體。例如，具有低純度的氧氣氣氛通常包含少于50%的氧氣.。
[0020] 在本說明書或權利要求書中使用時，用語"包括"、"具有"、"包含"或"含有"表示 包括在內或者是開放式的，并且不排除另外的未記載的元件或方法步驟。
[0021] 本文所用的術語"或它們的組合"表示該術語前列舉的項目的所有排列和組合。 例如"A、B、C或它們的組合"意在包括A、B、C、AB、AC、BC或ABC中的至少一種，并且如果 在具體的上下文中順序很重要的話，也包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。接著這 個例子，明確包括的有包含一種或多種項目或術語的重復的組合，例如BB、AAA、AAB、BBC、 AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。本領域技術人員可以理解的是，除非從上下文中明顯可見的 情況，典型地，對于任何組合中的項目或術語的數目沒有限制。
[0022] 而且，在具體描述的本說明書和隨附的權利要求書中，每個數值（例如，溫度或時 間）應該先解釋為被術語"約"修飾（除非已經明確這樣修飾了），然后再解釋為不這樣被 修飾（除非在上下文中另有說明）。而且，本文列舉或解釋的任何范圍意在明確或暗示性 地包括該范圍內的任何數值，特別是所有整數，包括端點，并且應該被認為已經這樣說明過 了。例如，"從1至10"應解釋為表示約1至約10之間的連續區（continuum)內的每個可 能的數值，特別是整數。因此，即使明確說明或具體指明所述范圍內的具體數值點，或者沒 有明確說明或具體指明所述范圍內的數值點，應理解該范圍內的任何數值點應視為已經被 說明，并且本發明的發明人知道該范圍內所有范圍和點。
[0023] 本文采用的術語"探測靈敏度（detectivity) "是指具體的探測靈敏度D*，并且是 探測器性能的量度。
[0024] 現在回到本發明公開的構思，本公開涉及制備對中紅外光譜靈敏的鉛鹽材料的方 法。更具體地，但是不限于，本公開屬于用于形成高探測靈敏度的未冷卻多晶鉛鹽光導和光 伏光電探測器的低成本的化學溶液方法。
[0025] 如前面所解釋的，光電探測器是接收光能（光或其他電磁輻射）并將其轉化為電 能（例如，電流）的裝置。未冷卻的光導探測器（即，在操作過程中不需要冷卻探測器） 經常比其他更靈敏但是需要冷卻的探測器優選，因為未冷卻的光導探測器可以