中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
目前的研究中，基于表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)的納米天線可以分別與熱釋電紅外探測器和熱電堆紅外探測器進(jìn)行片上集成。這種片上集成使得紅外探測器能夠?qū)崿F(xiàn)窄帶探測并應(yīng)用于非色散紅外（NDIR）氣體傳感器，這有助于實(shí)現(xiàn)NDIR氣體傳感器小型化及實(shí)現(xiàn)多組分氣體傳感。
近日，華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出并構(gòu)建了一種片上集成納米天線的量子點(diǎn)（QD）光電探測器，以進(jìn)一步克服熱探測器的局限性，例如相對緩慢的響應(yīng)速度和較低的探測率。這項(xiàng)研究證明了集成納米天線的窄帶光電探測器在紅外氣體傳感應(yīng)用中的優(yōu)勢。這項(xiàng)研究成果以“Nanoantenna integrated narrowband photodetector for infrared gas sensing”為題發(fā)表在Sensors and Actuators: B. Chemical期刊上，通訊作者為劉歡教授。
該項(xiàng)目重點(diǎn)研究了硫化鉛（PbS）膠體量子點(diǎn)（CQD），因?yàn)槠鋵t外光有很強(qiáng)的吸收性，并且易于與硅襯底集成。首先需要完成PbS量子點(diǎn)的合成，圖1展示了PbS量子點(diǎn)合成和配體置換的過程。隨后，研究人員利用微納工藝實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)與光學(xué)納米天線的集成。這種片上集成光學(xué)納米天線的PbS光電探測器的制備流程如圖2所示。研究人員在PbS膠體量子點(diǎn)層上通過PECVD生長SiO2和電子束蒸發(fā)（EBE）生長金（Au）納米盤，以形成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)。
圖1 （a）PbS量子點(diǎn)合成示意圖，（b）配體置換步驟
圖2 片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器的制備流程圖
研究人員利用紫外光-可見光-近紅外光吸收光譜（UV-Vis-NIR）測試研究了量子點(diǎn)的吸收特性，相關(guān)結(jié)果如圖3a所示。隨后，研究人員通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析了量子點(diǎn)薄膜的表面形貌（如圖3b和圖3c）。從圖中可以看出，利用電子束蒸發(fā)和電子束曝光等微納制備工藝可以更高質(zhì)量地制備Au納米盤陣列。
圖3 PbS膠體量子點(diǎn)薄膜的結(jié)構(gòu)表征
窄帶光電探測器的性能主要取決于兩個(gè)參數(shù)：中心波長處的響應(yīng)度和半峰全寬（FWHM）。利用納米天線，可以同時(shí)改善這兩個(gè)參數(shù)。在可見光和近紅外光范圍內(nèi)，納米天線已被證明可以提高光電探測器的光譜選擇性。利用納米天線可以實(shí)現(xiàn)窄帶光電探測器。在制備了片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)光電探測器之后，研究人員使用經(jīng)典的NDIR測試系統(tǒng)進(jìn)行氣體傳感性能測試。圖4a展示了NDIR測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由寬帶光源、準(zhǔn)直透鏡、氣室、片上集成光學(xué)天線的PbS量子點(diǎn)光電探測器和數(shù)字源表（Source Meter）組成。
圖4 （a）NDIR測試系統(tǒng)，（b）片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器
接著，研究人員對PbS量子點(diǎn)探測器與片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器的光電性能進(jìn)行了測試和比較，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器具有更高的比探測率和更窄的半高全寬。
圖5 PbS量子點(diǎn)探測器與片上集成光學(xué)納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器的光電性能比較
最后，研究人員通過NDIR系統(tǒng)對不同濃度的NH3和CH4進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，具有集成光學(xué)天線的PbS量子點(diǎn)探測器無需在探測器前放置濾光片，可以實(shí)現(xiàn)更低濃度的氣體檢測。
綜上所述，這項(xiàng)研究提出并制備了一種片上集成納米天線的PbS量子點(diǎn)光電探測器，并將其應(yīng)用于氣體傳感研究。這種片上集成納米天線的PbS量子點(diǎn)探測器在約1300 nm的峰值波長處實(shí)現(xiàn)窄帶光學(xué)響應(yīng)，與未集成納米天線的探測器相比，其響應(yīng)度提高了44%。基于片上集成納米天線的窄帶光電探測器的NDIR氣體傳感應(yīng)用研究表明，在無需額外窄帶濾光片的情況下，就能獲得對特定氣體（如CH4和NH3）的選擇性，并且由于在特定波長處的光響應(yīng)較高，從而實(shí)現(xiàn)較低的檢測限。通過設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化和迭代，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)氣體特征吸收峰的精準(zhǔn)匹配。這項(xiàng)研究證明了片上集成納米天線的窄帶量子點(diǎn)光電探測器在紅外氣體傳感應(yīng)用的優(yōu)勢。因此，將納米天線集成到中紅外探測器中并將其應(yīng)用于氣體探測，展示出極具前景和前瞻性的潛力。
