[发明专利]一种表面等离激元增强的超导单光子探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高灵敏的单光子或极微弱光信号检测器，特别涉及基于氮化铌的超导单光子探测器，可应用于可见光和近红外波段的单光子或极微弱光信号的检测。

背景技术

目前，基于NbN（氮化铌）的超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，简称SNSPD）已经比较成熟，其较高的超导转变温度（~12 K），暗计数率低（10 c/s），时间抖动小（60 ps），响应频谱宽(404 nm~1550 nm)，重复速度快(>100 MHz)等特点，使其在量子密钥分配，集成电路检测，分子荧光检测等领域有广泛的应用。目前，SNSPD的系统效率受以下几个方面的限制：一个是由于制备SNSPD使用的NbN（氮化铌）薄膜具有极薄的厚度，因此，其对光子的吸收效率较低；二是SNSPD具有蜿蜒的纳米线结构，纳米线之间具有一定的间隙，因此光子入射到蜿蜒的纳米线区域后，将有一定概率从间隙通过而不能被纳米线吸收。

发明内容

本发明所要解决的问题是提高纳米线吸收可见光至近红外波段的光子的效率，从而提高探测器在探测可见光至近红外波段的光子的灵敏度。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

根据本发明的一种表面等离激元增强的超导单光子探测器，其特征在于，在基于氮化铌的超导单光子探测器的纳米线区表面布置有金纳米颗粒，金纳米颗粒的粒径为15nm～25nm。

根据本发明的一种表面等离激元增强的超导单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：

S2：将含有十二烷基硫醇-金纳米颗粒的溶液滴入装有水的聚四氟乙烯容器里面；

S3：待溶剂蒸发后，在水和空气的界面形成单层的金纳米颗粒层；

S4：用聚二甲基硅氧烷蘸取单层的金纳米颗粒层；

S5：将聚二甲基硅氧烷上的单层的金纳米颗粒层转贴至基于氮化铌的超导单光子探测器的纳米线性区。

进一步，根据本发明的表面等离激元增强的超导单光子探测器的制备方法还包括步骤S1：制备氮化铌的超导单光子探测器；所述的步骤S1包括以下步骤：

S11：将氧化镁基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去离子水中超声清洗并吹干；

S12：对氧化镁基片进行氩离子清洗；

S13：采用磁控溅射的方法在氧化镁基片上镀上一层氮化铌薄膜；

S14：在氮化铌薄膜上刻蚀出氮化铌纳米线条；

S15：在氮化铌薄膜上构建金薄膜电极。

进一步，根据本发明的表面等离激元增强的超导单光子探测器的制备方法，所述步骤S1中在步骤S11之前还包括步骤S10：对氧化镁基片进行双面抛光。

进一步，根据本发明的表面等离激元增强的超导单光子探测器的制备方法，所述步骤S14包括：

S141：在氮化铌薄膜上旋涂一层电子束抗蚀剂；

S142：在电子束抗蚀剂上通过电子束刻蚀出纳米线条；

S143：用反应离子刻蚀的方式对氮化铌薄膜进行刻蚀，形成氮化铌纳米线条；

S144：洗去残留的电子束抗蚀剂。

其中，所述的电子束抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯；步骤S144为用1-甲基2-吡咯烷酮在恒温水浴中洗去残留的聚甲基丙烯酸甲酯。纳米线条宽为50nm～100nm，其间距为50nm～100nm。

进一步，根据本发明的表面等离激元增强的超导单光子探测器的制备方法，所述步骤S15包括以下步骤：

S151：在氮化铌薄膜表面旋涂光刻胶；

S152：通过深紫外曝光的方式在光刻胶上形成电极图形；

S153：通过磁控溅射的方式镀上一层金薄膜构成金薄膜电极；

S154：洗去光刻胶。

其中，所述光刻胶为AZ1500；所述的步骤S154为在丙酮中洗去AZ1500。

本发明的技术效果如下：本发明的超导单光子探测器在纳米线区表面布置直径不超过25nm有金纳米颗粒。由于可见光到近红外波段的光子入射到金纳米颗粒产生表面等离激元效应，导致在纳米颗粒表面有很强的电场增强效应，大大提高了纳米线吸收该波段光子的吸收效率，进而提高超导单光子探测器在该波段的系统探测效率。相比传统的基于氮化铌的超导单光子探测器，本发明的探测器对400-1000 nm波段的可见光到近红外的光子探测效率有提升，特别是对750 nm的光子探测效率提升超过10倍。

附图说明