[发明专利]一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片

说明书

本发明公开了一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片，该探测芯片由阵列化的金属纳米钉谐振腔探测单元所组成，每个探测单元(1)包括：底电极(2)、半导体材料层(3)、间隔层(4)、纳米钉阵列(5)、调控材料层(6)、顶电极(7)、外围调控信号(8)及驱动电路(9)；其位置关系由上至下依次为顶电极(7)、调控材料层(6)、纳米钉阵列(5)、间隔层(4)、半导体材料层(3)、底电极(2)，其中，纳米钉阵列(5)填充于调控材料层(6)内部，外围调控信号(8)及驱动电路(9)与调控材料层(6)两侧连接。实现探测器材料的量子效率显著提升，光谱分辨率优于1纳米，实现突破半导体截止波长的光探测。

技术领域

本发明属于红外探测器技术、金属纳米材料等领域，具体是一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片。

背景技术

超光谱成像探测技术利用具有一定光谱分辨率的超光谱图像进行目标探测，相比传统的单一宽波段光电探测技术，它要求结合成像技术和光谱测量技术获取二维空间信息和随波长分布的光谱辐射信息。只有对目标光谱信息和目标空间影像实现高精度的分辨，才能够提高目标探测的准确性，扩展传统探测技术的功能，在目标材质识别、异常目标检测、伪装目标辨识和复杂背景抑制等目标探测技术领域满足应用需求。然而，现有的传统红外光电探测器的探测波长受半导体材料带隙的限制，无法探测到更长的波段，而且光电探测器通常采用棱镜、光栅或分布式布拉格反射镜等分立器件对红外辐射进行分光，以实现红外多光谱成像，但难以实现芯片化与集成化；另外现有的多光谱探测技术采用的工作波段较少，一般为10个至20个，光谱分辨率Δλ/λ为0.1左右，即光谱分辨率低。

本发明利用等离激元纳米颗粒的局域表面等离激元效应，针对现有红外光电探测器量子效率低、光谱分辨率低、采用分立器件分光无法实现集成化与芯片化等瓶颈问题，并结合新机理、新技术提出了一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片，同时利用表面等离激元光致热载流子可以打破传统半导体探测器的探测波长受其带隙限制的瓶颈，拓展其探测波长范围；探测芯片具有探测波段可拓展、量子效率高、光谱分辨率高、芯片化、集成化及低成本等优点，可广泛应用于军事侦察、目标/背景探测、地雷探测等领域。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决已有红外光电探测器的探测波长受半导体带隙限制，探测范围有限、量子效率低、光谱分辨率低、采用分立器件分光难以集成化和大规模芯片化等技术问题，提出一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片，利用金属纳米钉与半导体构成的异质结，基于等离激元谐振增强的热载流子效应实现突破半导体截止波长的光探测；利用金属纳米钉横向与纵向两种谐振模式竞争导致的光吸收谱线的窄化，当金属纳米钉加入到红外光电探测器中后，可提高入射到探测材料局部的光强密度，实现探测器材料的量子效率显著增加；利用等离激元纳米颗粒的表面等离激元共振与周围的介质折射率相关，在调控材料层内部填充纳米钉，通过外围调控信号改变调控材料层的分布状态，改变纳米钉周围介质的折射率，实现探测器响应波段谱峰的实时调控，光谱分辨率优于1纳米。该探测芯片具有探测波长可拓宽、量子效率高、光谱分辨率高、可集成化、成本低、制备工艺简单等优点，并能制备成阵列化的超光谱探测器。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种等离激元多谐振机制增强的可调超光谱探测芯片，该探测芯片由阵列化的金属纳米钉谐振腔探测单元所组成，每个探测单元包括：底电极、半导体材料层、间隔层、纳米钉阵列、调控材料层、顶电极、外围调控信号及驱动电路；其位置关系由上至下依次为顶电极、调控材料层、纳米钉阵列、间隔层、半导体材料层、底电极，其中，纳米钉阵列填充于调控材料层内部，外围调控信号及驱动电路与调控材料层两侧连接。

其中，

所述探测单元的尺寸大小为200纳米至4微米，相邻探测单元之间的距离为500纳米至2微米,所述探测单元阵列为k×t二维面阵，其中k和t取值为2到10000，构成的探测芯片尺寸大小在100微米至5000微米之间。

所述底电极为多层电极，每层电极之间相互绝缘，每层电极可配合顶电极独立读出电信号。