[发明专利]一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹探测与成像技术领域，具体涉及一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法。

背景技术

太赫兹是指频率为0.1~10THz（1 THz = 1012 Hz）范围的电磁波，其对应波长范围为3mm~30μm，位于毫米波与红外波之间。太赫兹科学与技术的发展，依赖于物理学、化学、材料学、光学、微电子学等基础学科的发展，同时也对这些基础学科产生促进作用。国际科技界公认，太赫兹是一个重要的交叉前沿领域。长期以来，由于缺乏有效的THz产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙，也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz辐射在光谱学和成像技术方面的应用。

太赫兹辐射与其它波段的电磁辐射相比有其独特的性质：①瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级；②宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏位比被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断；⑤穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，对藏匿物体进行探测；⑥惧水性：大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质含水量或者进行产品质量控制；⑦光谱的特征吸收：由于许多极性大分子的振动和转动能级正好处于太赫兹频带范围，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。

太赫兹室温探测器是一个新发展的研究方向，具有室温工作、体积小、响应快、可成面阵图像、应用范围广等特点，但由于该技术是新兴技术，国际上只有几个研究机构掌握了探测及成像技术，相关的技术报道很少。

赫兹探测器探测单元中的热敏感薄膜对太赫兹波吸收很弱，使得太赫兹辐射信号检测的难度较大。传统的红外探测器，如微测辐射热计，对太赫兹的吸收仅为红外吸收的2~5%左右，甚至比器件材料的不均匀度还要低，故极难区分噪音与被检信号。因此，需要增加单独的太赫兹吸收层以增强探测器的吸收性能。要求太赫兹吸收层的反射率低，与下层材料的粘附性要好。目前常用的太赫兹吸收材料为有机黑体、黑金和Ni-Cr等。在这几种物质中，黑金的反射率最低，但它的粘附性不是很好。黑色树脂的反射率也比较低，但比较厚，而且热阻较大，可能会阻碍热量向敏感薄膜的传播。

薄的金属或金属复合层可以吸收太赫兹辐射，同时厚度低于50nm的膜厚对探测器的热容影响很小，利于高响应速率探测单元的制作。部分文献报道了对铋金属-介质复合膜系结构吸收太赫兹辐射的研究(Curtis c. Ling, etc, “Large Area Bolometers for THz Power Measurements”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.42, pp. 758-760, 2002)。这种结构中，40~150nm的铋膜被蒸发制备在采用热生长与LPCVD方法制备的三层介质复合薄膜上。测试结果表明，制备有铋金属层的复合薄膜的太赫兹辐射吸收率比无铋金属层的相同介质薄膜提高了60%。