研究背景

        光電探測(cè)器是一類具有代表性的光電器件，可根據(jù)各種原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在高速光通信、航空航天、深空探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。根據(jù)光電探測(cè)器的工作波長(zhǎng)，分為寬帶光電探測(cè)器和窄帶光電探測(cè)器。寬帶光電探測(cè)器波長(zhǎng)范圍覆蓋紫外，紅外和可見光區(qū)域，主要應(yīng)用在多色光探測(cè)和成像方面，窄帶光電探測(cè)器可用于光學(xué)成像、通信和生物傳感等方面。

        金屬納米顆粒的表面等離激元共振效應(yīng)（SPR）是由入射電磁波誘導(dǎo)金屬納米顆粒共振產(chǎn)生的，對(duì)入射波長(zhǎng)敏感性高，基于金屬納米顆粒的鈣鈦礦光電探測(cè)器，結(jié)合金屬納米顆粒SPR的波長(zhǎng)選擇性和鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電特性，在窄帶光探測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但是金屬納米顆粒與鈣鈦礦的接觸會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦的成膜質(zhì)量下降，降低探測(cè)器性能。解決這一難題的方法之一是在金屬納米顆粒和鈣鈦礦之間引入中間層，以改善成膜質(zhì)量。目前中間層的制備過程復(fù)雜，成本較高，選擇合適的中間層材料，并整體優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)、提升鈣鈦礦的成膜質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)基于金屬納米顆粒SPR的鈣鈦礦窄帶探測(cè)器研究中亟待解決的問題。

        創(chuàng)新研究

        為了制備基于銀納米島膜的鈣鈦礦窄帶光電探測(cè)器，天津大學(xué)呂且妮教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合戴海濤教授團(tuán)隊(duì)引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜作為鈣鈦礦和銀島膜之間的中間層，利用光經(jīng)PMMA薄膜的干涉效應(yīng)增強(qiáng)窄帶，通過前驅(qū)液溫度和鈣鈦礦厚度調(diào)控窄帶響應(yīng)，制備了高性能的銀納米島膜基的窄帶光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了窄帶探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

        PMMA薄膜具有高透光性、制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是制作中間層的理想材料。團(tuán)隊(duì)首先對(duì)PMMA薄膜的厚度進(jìn)行優(yōu)化，通過改變PMMA溶液濃度和旋涂速度獲得不同厚度的PMMA薄膜，分析了不同厚度PMMA薄膜對(duì)器件性能及鈣鈦礦結(jié)晶性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。光電流與PMMA薄膜厚度有關(guān)，在厚度為278 nm處的器件具有較好的鈣鈦礦結(jié)晶性，同時(shí)薄膜干涉提高了器件的窄帶特性。

圖1 不同PMMA厚度下器件的表征。(a)窄帶響應(yīng)隨波長(zhǎng)的變化曲線；(b)鈣鈦礦器件的FWHM和光電流；(c)銀島膜的透射譜；(d)鈣鈦礦薄膜的XRD譜；(e) (110)衍射峰的放大圖

        為進(jìn)一步提高鈣鈦礦的結(jié)晶性，可通過選擇前驅(qū)液溫度優(yōu)化鈣鈦礦晶粒尺寸，如圖2所示，隨著溫度的提高，鈣鈦礦晶粒尺寸先增大后減小，結(jié)晶性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溫度大于60℃時(shí)晶粒間出現(xiàn)較大間隙，影響載流子傳輸，因此選擇前驅(qū)液溫度為60℃。

圖2 不同前驅(qū)液溫度下器件的表征。(a)-(f) 鈣鈦礦SEM圖，前驅(qū)液溫度分別為室溫(~25 ℃)、30℃、40℃、50℃、60℃和70 ℃；(g)光電流隨前驅(qū)液溫度變化關(guān)系，入射光波長(zhǎng)為550 nm；(h)不同前驅(qū)液溫度時(shí)，鈣鈦礦薄膜的XRD譜；(i) (110)衍射峰的放大

        在滿足前兩項(xiàng)優(yōu)化條件的基礎(chǔ)上，對(duì)鈣鈦礦吸收層厚度進(jìn)行探究，結(jié)果如圖3所示。通過改變鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂速度得到不同厚度的鈣鈦礦吸收層，利用光在不同厚度鈣鈦礦中路徑的不同，優(yōu)化對(duì)光的吸收，隨著鈣鈦礦前驅(qū)液旋涂速度增加，鈣鈦礦薄膜厚度減小，當(dāng)旋涂速度為5000 r/min時(shí)，在窄帶中心波長(zhǎng)附近有明顯的光電流增益。

圖3 厚度變化對(duì)光傳播路徑和光電流的影響。(a)鈣鈦礦薄膜內(nèi)光傳播路徑示意圖；(b)不同旋涂速度時(shí)，光 電流隨波長(zhǎng)變化曲線；(c)歸一化光電流曲線和Si探測(cè)器的光電流曲線；(d)不同旋涂速度時(shí)的透射譜；(e)不同旋涂速度時(shí)樣品的光學(xué)圖像

        最后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)優(yōu)化后的最終器件進(jìn)行了性能表征，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為490 nm，F(xiàn)WHM為110 nm的窄帶探測(cè)，在2 V的外加偏壓下，響應(yīng)峰處具有高達(dá)0.6 AW^-1的響應(yīng)度，159 %的高外量子效率和2.73×10¹³ Jones的比探測(cè)度，響應(yīng)時(shí)間ton/toff= 247/266 ms。該探測(cè)器制備工藝簡(jiǎn)單，特別是調(diào)控方法簡(jiǎn)單、性能高，為窄帶光探測(cè)器提供了一種新的制備思路。

        總結(jié)

        利用銀納米島膜的SPR和PMMA薄膜的多模式干涉獲得了中心波長(zhǎng)490 nm半高寬為110 nm的窄帶光電探測(cè)器。制約探測(cè)器窄帶性能的主要因素是金屬納米顆粒SPR峰的半高寬，后續(xù)工作將圍繞降低金屬納米顆粒SPR峰半高寬開展。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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