带有垂直石墨烯的金属热电堆红外探测器*

李凯 孙捷 杜在发 钱峰松 唐鹏昊 梅宇 徐晨 严群 柳鸣 李龙飞 郭伟玲‡

1)(北京工业大学微电子学院,光电子技术教育部重点实验室,北京 100124)

2)(中国福建光电信息科学与技术创新实验室,福州大学,平板显示技术国家地方联合工程实验室,福州 350100)

3)(瑞典查尔摩斯理工大学,量子器件物理实验室,哥德堡 41296)

热电堆红外探测器主要是由热电偶为基本单元所构成的一种探测器件,因其原理简单、工作时不需要冷却设备等优势已被广泛应用在生产生活的各个方面.然而,传统热电堆器件所选用材料的吸收率通常处在较低水平,并且大部分与微加工工艺不兼容.在此,本文设计提出了一种带有垂直石墨烯(vertical graphene,VG)的金属热电堆红外探测器.通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)生长VG 并将其保留在器件的热结处,从而实现热电堆红外探测器的宽带和高响应特性.这种复合结构的探测器在波长792 nm 的情况下,室温响应率最高可达1.53 V/W,与没有VG 的热电堆红外探测器相比,前后响应结果可增加28 倍左右,响应时间缩短至0.8 ms 左右.该制备过程与微加工工艺相兼容,同时整体提升了器件性能,并适合于大规模生产.此外,利用表面等离激元共振的原理将VG 与金属纳米颗粒相互结合,发现在前后同等条件下材料的光吸收有明显的增强,所产生的热电势响应最高可增6 倍.以上结果表明,VG 在多种应用中具有巨大的潜力,包括光电检测、微发电装置等,该技术为制备高性能热电堆红外探测器和其他传感器件提供了一种新的途径.

1 引言

在光电探测领域,红外光电探测器一直扮演着至关重要的角色,并在军事、工业和日常生活中都得到了广泛的应用.近年来,石墨烯作为一种新兴的二维薄膜材料,因其极高的载流子迁移率[1]、宽带光谱吸收[2]、极高的导热性和导电性等[3,4]优势,逐渐得到了科研人员的关注.相对而言,大多数红外吸收材料在上述特性中都无法与石墨烯相媲美,因此,石墨烯材料在红外探测领域中有着优异的前景.但是,实际制备中得到的石墨烯光电探测器光响应率比较低,往往只在几个mA/W[5,6],这与石墨烯较低的光吸收率有较大关系(单层为2.3%).因此,科研人员通过将石墨烯与其他的纳米材料相互耦合,如等离激元纳米颗粒[7,8]、纳米线[9,10]、量子点[11]等,来增加石墨烯对光的吸收率以达到提升器件响应率的目的.相较于传统置于衬底表面的石墨烯薄片,垂直石墨烯(vertical graphene,VG)是由许多垂直向上分布的石墨烯薄片堆叠而成的碳纳米网络结构,具有尖锐且锋利的边缘[12].因此,VG 不仅保留有石墨烯的基本性质,还具有极大的比表面积、较高的光吸收率等优势[13,14],是一种很有潜力的传感材料.例如,利用VG 极大的比表面积来为气体分子提供了更多的吸附空间,从而可以实现高灵敏度的气体传感器[15],但是目前VG 在红外探测器领域的应用还很少有报道.依据红外探测器在实际工作中是否需要额外的冷却设备,可以将其分为制冷型和非制冷型两类.制冷型红外探测器的主要原理是材料吸收光子后的光电效应,大多数需要在液氮环境下工作,例如碲镉汞红外探测器等,非制冷型红外探测器是利用红外热辐射来进行探测的,在室温下即可满足工作条件,如热电堆红外探测器等.目前,由多数热电偶串连组成的热电堆作为一种简单的物理结构,在军事、工业生产和消费电子领域都能看到它的身影,例如非接触式温度测量[16−18]、热传感器[19,20]、气体传感器[21,22]、发电装置[23,24]等.特别是当前在COVID-19 病毒肆虐的大背景下,全球各个国家对人体非接触式测温仪器的需求都在日益激增.

热电堆红外探测器基于塞贝克效应,可以实现将外界的红外热辐射信号转换为电信号,器件在室温下即可达到工作条件不需要额外的冷却设备,因此在实际使用过程中相对比较便捷.热电堆红外探测器通常由底部基底、表面支撑层、热电偶带和吸收材料[25]四部分组成.为了提升器件的整体性能,吸收材料通常覆盖在热端上来扩大温差,表面支撑层的导热系数通常很低,以减少吸收层与基底之间的热损耗.因此,制备高性能的热电堆红外探测器的一种途径是提高温差,这是由器件的材料和结构所决定的.一些热电堆器件使用氮化硅作为吸收材料[26,27],但氮化硅的吸收率相对于VG 而言在较低水平.在之前的报道中,黑色金属、黑色纳米材料、黑硅[16,28]等也逐步被引入来增强红外吸收,最终实现提升器件性能的目的,然而这些材料所制备得到的热电堆传感器不够灵敏,器件的响应时间较长.

本文研究制备了一种带有VG 的热电堆红外探测器,通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)将VG 生长在金属热电堆的热结.由于VG 特殊的堆叠形貌,其不仅可以全面提高光和热的吸收率,还是一种适宜做光热的传感材料,在系统测试了器件的响应结果后,最终发现光照在复合器件上响应的主要来源有三种机制:第一种是仅仅由金属热电堆本身所产生的响应;第二种是金属热结点处覆盖的VG 扩大了冷热结两端的温差所贡献的响应增量;最后一种是器件表面连续的VG 材料吸收热量后,内部存在的温度梯度所产生的响应,同时也一并分析了各部分响应机制在总响应中的占比.VG 的存在不仅改善了器件整体的响应度,还大大地缩短了器件的响应时间,与只有金属的热电堆探测器相比,在792 nm 的光照下响应度从55 mV/W提升至1.53 V/W,上升时间从0.67 s 下降至0.8 ms,下降时间从0.51 s 下降到1.6 ms.同时我们还将VG 与金属纳米颗粒相互结合,利用表面等离激元共振的原理来提高VG 的光吸收,最终前后所产生的热电势响应最高增加6 倍,这种结构简单易制备并与半导体工艺相兼容.以上结构为VG 在热电堆红外探测和能源转换领域的实际应用提供了一种新的途径.

2 材料和方法

2.1 材料的生长

本研究中的VG 是通过AIXTRON 公司生产的Black Magic 系统生长,如图1 所示腔室的示意图,主要包括气体入口、气体排出口、加热片和等离子体片四部分.通入腔室的甲烷和氢气等反应气体首先被等离子体解离,从而形成一些自由基等物质然后到达衬底表面,之后逐渐形成基底的石墨烯层,由于内应力的作用该层会形成许多缺陷,随着反应气体的持续通入,腔室内垂直与衬底表面的电场将会促进碳原子沿着缺陷处结合,最终垂直向上生长成为VG 的结构.VG 薄膜的厚度主要取决于生长时间,生长时间越长材料越厚,相应的光吸收率也越高,但是较薄厚度的VG 有利于材料的刻蚀以便于进行图形化,同时尽可能地提高生长温度,从而可以提升VG 的质量[29].

图1 PECVD 系统反应腔室结构示意图Fig.1.Schematic diagram of the structure of the reaction chamber of the PECVD system.

2.2 器件的制备

VG 热电堆探测器其制备过程如图2 所示.首先将带有300 nm 二氧化硅的硅晶圆切割成2 cm×3 cm 的大小作衬底,依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水对衬底样品进行清洗.接下来,用光刻胶作为掩膜光刻并溅射200 nm 厚的铜镍合金,剥离后形成热电堆的其中一种金属材料,然后再进行一次光刻并溅射250 nm 厚的铜作为另一种金属材料,由此形成三组热电偶串联构成的金属热电堆结构,金属交叠处的大小为0.05 cm×0.1 cm.随后再放入PECVD 系统中,在800 ℃下直接生长2 min VG,最后利用光刻和等离子体刻蚀技术刻蚀掉下半部分的VG.如图3 所示为器件的实物图,黑色部分为刻蚀后的VG,其保留在金属热电堆的热结处,底部为金属组成的热电堆结构.

图2 (a)—(e)VG 热电堆探测器制备流程;(f)VG 热电堆探测器及器件测试示意图Fig.2.(a)–(e)Preparation process of VG thermopile detector;(f)schematic diagram of the VG thermopile detector and device measuring.

图3 带有VG 金属热电堆红外探测器实物图Fig.3.Physical image of infrared detector with VG metal thermopile.

金属纳米颗粒的制备过程是将衬底先切割成1 cm×3 cm 的大小,重复以上清洗步骤,随后在衬底表面分别溅射8 nm 的Au 和Ag 薄膜然后放入PECVD 中,在不同温度下退火得到金纳米颗粒和银纳米颗粒(AuNPs 和AgNPs),退火程序步骤与生长VG 一致,退火时不通入甲烷气体并根据退火条件改变不同的温度参数,最后生长VG 在金属纳米颗粒的表面.考虑到Ag 在较高的温度下会很容易发生氧化,所以另外也选择先在衬底上生长VG,然后将现有的AgNPs 混合到乙醇溶液中并超声使其充分溶解,最后将其旋涂到VG 的表面.

2.3 材料和器件的表征

通过Aixtron 公司的Black Magic 垂直冷壁PECVD 系统生长VG,然后通过HORIBA FRANCE SAS 公司的LABRAM HR EVO 拉曼光谱仪对VG 进行拉曼光谱表征.采用日立S-U9000-SEM(scanning electron microscope,SEM)对VG 和金属纳米颗粒进行扫描电子显微镜表征,通过分光光度计(日立U-4100)测量VG 样品的光吸收率,使用Keysight 公司生产的综合分析仪B1500A 在室温下测试了器件的电学特性.

3 结果与讨论

图2(e)为VG 热电堆探测器结构示意图.包括溅射在二氧化硅上的金属热电堆结构以及覆盖在金属表面的VG,器件制备的细节在实验部分有详细的介绍.VG 热电堆光热电探测器的工作原理可以通过图2 中器件的结构图来理解,溅射在二氧化硅上的三组Cu-Ni/Cu 热电偶作为金属热电堆结构,VG 作为探测器的光和热的吸收层,能够很大程度上提升探测的表面积,同时减少了金属对大部分光的反射.也就是说,VG 能够增加金属热电堆探测器热结处光和热的吸收,扩大顶端热结和下端冷结的温度差,最终器件可以产生更高的热电压和更高的光响应率.不仅如此,结构底部的二氧化硅由于其具有较低的导热系数可以有效防止器件整体热量的散失.

首先,对生长后的VG 进行了基本表征,图4(a)为所制备的VG 的扫描电子显微镜图像,可以看出VG 呈现波浪状且具有锋利的边缘.图4(b)显示了拉曼光谱仪对VG 进一步表征的结果,可以观察到D 峰(≈1350 cm–1)和G 峰(≈1550 cm–1)两个主要的特征峰.D/G 峰的强度比是1.4,较高的D 峰值主要原因在于VG 本身所存在的缺陷、不规则的波纹和褶皱等.

先在石英衬底上制备了VG 薄膜,然后利用分光光度计测量VG 薄膜的透射率和反射率,结果如图4(c)和图4(d)所示,VG 的光透射率和反射率都随波长的增加而逐渐增加,当波长一定时材料的透射率和反射率会随着生长时间的增加而减小,这表明了VG 生长时间的增加,对应的光吸收率会逐渐增强.以上结果表明,金属热电堆和VG 的结合可以有效地提高在热结处光和热的吸收,特别是在可见光以及近红外波段,最终可以提升器件整体的光热响应.为了验证VG 热电堆探测器的优势,分别测试了VG 金属热电堆探测器件和只含有金属热电堆探测器件的光响应并相互进行比较.先用波长为792 nm 的激光照射两种器件,在有效光功率密度为488 mW/cm2下得到器件的热电势如图5(a)和图5(b)所示.

图4 VG 的(a)SEM 图和(b)拉曼光谱图;不同生长时间的VG 对应的(c)光透射率和(d)反射率Fig.4.(a)SEM image and(b)Raman spectrum of VG;(c),(d)corresponding optical transmittance(c)and reflectance(d)of VG with different growth time.

图5 器件在(a),(b)792 和(c),(d)1550 nm 下的响应结果(a),(c)仅有金属的热电堆器件;(b),(d)带有VG 的金属热电堆器件Fig.5.Response results of the device at(a),(b)792 and(c),(d)1550 nm:(a),(c)Metal-only thermopile device;(b),(d)metal thermopile device combined with VG.

通过结果对比可以发现,在792 nm 的光照射下,无VG 的器件热电势的响应电压仅在0.16 mV左右,而VG 与金属热电堆相结合的器件响应最高提升至4.5 mV 左右,响应提升明显(大约为28 倍).之后还使用了波长为1550 nm 的激光光源,以500 mW/cm2的有效光功率照射器件,观察如图5(d)所示的结果可以发现器件在长波光源的照射下,前后的响应电压仍提升明显(大约为4.8 倍).金属热电堆与VG 结合的器件响应提升是因为VG 本身具有较高的光吸收率、优良的导热性和导电性,因此能够加速光和热的转化并可以减少热量的散失,并且也会提升器件整体的导电能力降低整体电阻,最终使得器件整体的响应得到提升.由图5(b)和图5(d)可以看出,带有VG 的热电堆器件在792 nm 下响应相对较大,这主要是因为VG 对1550 nm 的光吸收率低于792 nm 的光.光响应率(R)是光电探测器的重要特征之一,可以衡量器件的光电转换能力,它定义为输出电压(Vph)与输入光功率(Pin)的比值,RVph/Pin.利用图中数据计算得到热电势的绝对值(|Vph|),分别计算出在波长为792 和1550 nm 下VG 的热电堆器件的响应度最高为1.53 V/W 和102 mV/W,这不难发现结合有VG 的红外热电堆器件在整体响应度上也有着优良的表现.

光探测器的响应时间是器件在实际应用中的重要参数之一,器件的响应时间主要可以分为上升时间(τrise)和下降时间(τfall),上升时间定义为光响应从峰值的10%增加到90%的时间,下降时间的定义与之类似[30].对于只有金属热电堆的器件,在792 nm光照下的τrise和τfall分别为0.67 s 和0.51 s,在1550 nm 光照下的τrise和τfall分别为0.5 s和0.6 s,VG 金属热电堆复合器件在792 nm 的光照下τrise和τfall分别为0.8 ms 和1.6 ms,在1550 nm的光照下τrise和τfall分别为1.06 s 和1.55 s,792 nm下的响应时间都明显优于前者.结合VG 以后器件整体的光热吸收会更强烈,这有利于加速冷热结点处温度差的建立,所以能够更快地产生响应并且达到峰值,VG的存在提升了响应建立的速度,因此,器件的响应时间就会整体缩短.

表1 所列为不同热电堆红外探测器的具体参数比较.以上器件的吸收层分别为Au,Ti 等金属和SiN-SiO2的无机材料,首先这些吸收层相较于VG 材料的成本较高,因为Au 和Ti 是造价较高的贵金属,VG 材料制作成本相对较低,通过PECVD直接免转移生长即可.其次,这些器件选用P 型多晶硅和N 型多晶硅所组成热电偶,因此需要进行掺杂工艺,这也会增加器件制备的成本和制备流程步骤.最后,在响应度的数量级接近的情况下,VG热电堆红外探测器的响应时间具有较为明显的优势.因此在一定条件下,带有VG 的金属热电堆红外探测器具有成本较低、制作工艺相对简单,响应速度相对较快的优势.

表1 不同种热电堆红外探测器的参数比较Table 1.Parameter comparison of different thermopile infrared detectors.

如图6(a)所示为VG 结合金属热电堆器件在实际测试过程中的示意图,红色的点代表激光所照射热结的位置.在实验过程中,我们发现一个特殊的现象,在用波长为792 nm 的激光器从左至右依次照射三点的过程中,器件产生热电势的符号会发生翻转.起初认为是热电堆金属左右两端的不对称性所导致的电压反向,但是在测试了只有金属的热电堆的器件响应后发现不同点处的响应几乎没有差别,如图6(b)和图6(c)所示,结果表明,三点处的热电势响应都在250 µV 附近并且符号一致.后来,考虑这种反向的原因与VG 有关,于是设计实验并进行验证.将与之前同样的衬底片切割成1 cm×3 cm,洗净后通过PECVD 直接生长VG,生长时间等参数与之前保持一致.然后将激光照射在材料左右两端的边缘,在探针台上测试发现两端的电势方向相反,更有趣的是当激光照射在材料的对称中心附近,发现产生的电势响应几乎为零,如果光照点恰好在材料的对称中心,则此时将没有热电势产生.图6(d)、图6(e)和图6(f)三图所示的结果与图6(b)和图6(c)相对比,含有VG 的热电堆器件中点附近产生的热电势与不含VG 的器件所产生的电势大小相近,并且左右光照点两端所产生的热电压相反,由此可判断是由于金属热电堆表面的VG 导致器件热电势出现反向,这也表明VG 的存在对器件的整体响应也有一定的贡献,并且这种现象在792 和1550 nm 的激光器照射下均可以重复观察到.一旦光照射到VG 的表面,材料就会吸收光进而快速转换成热汇聚在照射点处,激光点的照射处热量最多温度最高,并且由于VG 优异的导热性,热量会沿着材料的方向梯度性扩散,导致在整个表面形成渐变的热分布,进而产生不规则的载流子分布,最终载流子沿着材料热梯度的方向扩散形成热电压,不同方向的热梯度导致载流子的扩散方向不同就此产生相反方向的热电势.

此现象的发现可以进一步帮助理解VG 热电堆器件响应产生的原理,主要可以概括为以下三种机制.首先是仅由金属热电堆所产生的响应,这一部分的值基本不会随着光照点位置的改变而有产生较大的波动,因为在同样的光功率照射下,金属冷热结点的温度差值不会有较大的变化.另一种机制就是当VG 覆盖在热结以后会提升金属热结处光和热的吸收,因而能够扩大金属冷结和热结的温度差,从而能够进一步提升响应值.最后一种机制是光照射器件表面上的VG 时,会导致VG 产生温度梯度进而会产生响应,这最终也会增加器件所产生的热电势.不仅如此,通过进一步总结图6 中的数据,还可以得到这三部分机制所产生的响应在总响应中的占比,因为单由金属热电堆所产生的响应是可以直接测得的,三点处的热电势都集中在250 µV 附近,所以这一部分的占比相对容易确定,大约在17%.第二种机制的占比可以通过对比图6 中的数据确定,图6(e)是光照在器件中点处的热结所产生的响应,值得注意的是,此时的光照点基本位于整个VG 材料的中点处,这时由于VG 在左右两个方向上都会产生温度梯度,这将会有相反符号的热电势产生,相互抵消后单由VG 所产生的热电势几乎为零由此可以忽略不计,因此这时前后响应的提升基本都可以归结于是第二种机制的贡献,也就是VG 增加了热量的吸收导致热结和冷结温度差值的扩大,最终使得器件的热电势增加,这个增加的差值大约在200 µV 左右,占比为14%.第三种机制的占比相较于前两种高一些,同时这种机制也是改变热电势符号的机制,通过分析图6(d)和图6(f)的数据可以计算这个差值在1 mV附近,得到最后一种机制为响应提供的占比在69%左右.另外对只有VG 所产生的响应也进行了测试(见后文图10(a)和图10(b)),响应的数值同样位于1 mV 左右,这个结果也帮助印证了第三种机制的存在以及在总响应中的占比,以上结果更有助于去理解分析器件中存在的物理机制和响应的产生机理.

如图7 所示,为带有VG 的金属热电堆器件在1550 nm 下的测试结果,通过对比792 和1550 nm下器件在三点的响应表现,可以发现器件的电压反向现象在1550 nm 下依旧是存在的,并且1550 nm光源下器件的响应强度要低于在792 nm 光源下的表现,这主要是由第三种响应产生机制所主要决定的.对于带有VG 器件的响应时间,可以发现792 nm 波长下表现更佳,左右两点的响应时间大约在0.66 s 和0.49 s,这与VG 在792 nm 下较高的光吸收率和较高的光子能量有关,光子能量越大引起的温度梯度就相对越大,在一定程度上,温度越高载流子的移动速度就越快,从而建立稳定的电压时间就越短,器件的响应时间就越快,也是带有VG 的热电堆器件响应时间最快能提升至毫秒级的原因.在1550 nm 下,带有VG 器件的响应时间有所延长,左右两点的响应时间大约在2.14 s 和1.74 s .这与材料在较长波长下光吸收率相对较低以及载流子的运动速度相对较慢有关.

图7 VG 热电堆探测器在1550 nm 下的测试结果(a)带有VG 的器件光照在左端;(b)带有VG 的器件光照在中点;(c)带有VG 的器件光照在右端Fig.7.Measure results of VG thermopile detector at 1550 nm:(a)With VG device(laser on the left end);(b)with VG device(laser on the midpoint);(c)with VG device(laser on the right end).

基于VG 内部温度梯度所产生的光热电势以及自身高导热性、导电性、超强的机械强度、超高的比表面积等优异的物理化学性质,有望促进VG材料在高效率太阳能电池、光热电探测器等光电装置上得到利用.为了提升热电势的响应,可以考虑将金属纳米颗粒与VG 相互结合,最终发现在实际中取得了良好的效果.在这项工作中,先通过PECVD对厚度为8 nm 的Au,Ag 薄膜退火,研究了不同温度下退火后的颗粒形貌并进行粒径分析,金属纳米颗粒的SEM 和统计数据结果如图8 所示.

图8 厚度为8 nm Au 薄膜和Ag 薄膜退火后的SEM 图和粒径统计直方图(a)Au 退火700 ℃;(b)Au 退火 900 ℃;(c)Ag 退火 300 ℃;(d)Ag 退火 700 ℃;(e)—(h)相对应的粒径统计直方图结果Fig.8.SEM images and particle size statistical histograms of 8 nm thick Au films and Ag films after annealing:(a)Au annealed at 700 ℃;(b)Au annealed at 900 ℃;(c)Ag annealed at 300 ℃;(d)Ag annealed at 700 ℃;(e)–(h)corresponding particle size statistical histogram results.

从图8 可以发现,Au 膜在700 和900 ℃下退火后的形貌区别不大,颗粒的平均直径在50 nm附近,通过退火得到Au 纳米颗粒与VG 相结合的纳米结构.Ag 膜在低温300 ℃下退火得到了平均直径在123 nm 的颗粒并且具有良好的形貌,但这与VG 生长的温度不匹配,并且700 ℃下的颗粒分布均匀性较差,因此选择先生长VG 再旋涂AgNPs 在VG 的表面.随后分别测试了带有金属纳米颗粒的VG 前后的光特性,如图9(a)和图9(b)所示,在520 nm 的激光激发下,含有AgNPs 的VG材料拉曼光谱强度可以增强5 倍,相应的AuNPs也有1.3 倍的增强,表明结合有金属纳米颗粒以后的VG 具有等离子体活性.通过分光光度计测试了600—800 nm 波段的光吸收,都有较大幅度的提升,如图9(c)和图9(d)所示的结果表明,在792 nm处含有金属纳米颗粒前后VG 吸收率的分别增强6.4%(AuNPs)和2.2%(AgNPs),这是由于金属纳米颗粒会引起自由电子共振,然后产生一个局域的电磁场从而增强光的吸收.

图9 VG 与金属纳米颗粒结合前后的(a),(b)拉曼测试和(c),(d)光吸收率结果(a),(c)VG 与AgNPs;(b),(d)VG 与AuNPsFig.9.(a),(b)Raman and(c),(d)optical absorption results before and after the combination of VG and metal nanoparticles:(a),(c)VG with AgNPs;(b),(d)VG with AuNPs.

一般在金属纳米颗粒中会较容易发生局域表面等离激元共振的现象,当入射光与金属球表面自由电子相互作用时,电场的存在会使得自由正负电荷形成偶极子,在偶极子产生的电场作用下,金属纳米颗粒表面的电子会在平衡位置之间往复运动,使得入射光局域在其中,达到增强光吸收的效果[34].接下来,分别在室温下测量了只有VG 和含有金属纳米颗粒的VG 所产生的光电势响应,使用波长为792 nm 的近红外光源激发样品,通过图10(a)和图10(b)的结果可以发现,前后所产生的响应都有着成倍的增加.在相同的测试条件下,含有AgNPs 的VG 材料,其响应前后最高可增加2.4 倍左右,含有AuNPs 的最高可增加6 倍左右.因为金属纳米颗粒的加入,能够增加材料整体光吸收,这个过程还会促进电子-空穴对的产生,将直接导致在温度梯度的驱使下更多的载流子加速移动,最终导致整体电势的增强.

图10 VG 与金属纳米颗粒结合前后的响应结果(a)VG 与AgNPs;(b)VG 与AuNPsFig.10.Response results before and after the combination of VG and metal nanoparticles:(a)VG with AgNPs;(b)VG with AuNPs.

4 结论

综上所述,本文介绍了一种带有VG 的金属热电堆红外探测器,利用PECVD 生长得到的VG作为优异的光热传感材料,与简单的只含金属的热电堆探测器相比,在792 nm 时光响应提升了28 倍左右,响应时间缩短至0.8 ms 附近,器件的性能提升较为明显,并且该器件在1550 nm 的光照时也有较好的光响应表现.总结了器件响应产生的三种机制,同时计算了各种响应机制在总响应中的占比,这有助于理解带有其他吸收材料的热电堆器件中存在的物理原理和结果分析.此外发现了VG 在太阳能电池等能源转换器件上的潜力,通过PECVD 退火成功地得到了重复性较好的AuNPs,基于局域表面等离激元的原理,将VG 结合不同金属纳米颗粒以提升材料的光吸收率.在792 nm 的光照时,前后的电压响应都有不同程度的提升,最高可增加6 倍,这些有望促进热电堆红外探测器、光能源转换等光电器件的发展,以上过程具有可重复性并与目前的半导体器件工艺兼容,因此容易大规模制备.在后续工作中可以进一步调控参数减少VG 在生长过程中的缺陷,将VG 与其他金属所组成的热电堆相结合,使得器件的应用场景更为广泛.此外,不同尺寸和形状的纳米颗粒对材料表面等离激元的激发效果也不同,因此可以进一步对比分析产生的具体作用和实际效果,最终整体提升材料和器件的优势.