一种多孔碳纳米薄膜及其红外微测辐射热计制造技术

本实用新型专利技术涉及一种多孔碳纳米薄膜及其红外微测辐射热计，碳纳米薄膜中sp2杂化状态的碳含量高于75％，薄膜的孔隙半径为30nm～500nm，孔隙率为30％～70％，多孔碳纳米薄膜的厚度为30nm～3000nm。该多孔碳纳米薄膜可以应用于微测辐射热计中，作为红外吸收增强材料或者单独作为红外吸收层，不仅提高器件的红外吸收率和探测灵敏度，而且可以实现宽波段红外吸收，器件结构简单，工艺兼容，有优异的非制冷红外探测性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于材料领域，涉及一种宽波段红外吸收多孔碳纳米薄膜及包含多孔碳纳米薄膜的微测辐射计。
技术介绍
根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于绝对零度的物体都能辐射电磁波，物理辐射能量强度与本体温度及表面的辐射发射能力有关。能够辐射可见光的物体普遍需要具备高温的特点，当温度较低时，峰值波长变大，辐射波进入红外波段，是非可见光，但对于一般低温、室温的物体，辐射红外的能力是普遍存在的。因此红外探测在探测领域具有更广的应用范围。通常情况下，红外探测系统被认为是一种无源、被动式的探测仪器，可以非接触而且不需要高功率辐射源，因此常被应用在现代国防技术中。红外探测和成像更多用来一些实际观测条件很差的时候，例如夜晚、烟雾等环境中，目前广泛应用的红外探测或成像技术包括制冷和非制冷两类。非制冷红外成像技术起步较晚，但是发展迅速，其中以氧化钒为红外敏感层的微测辐射热计成为非制冷红外成像领域的主流技术，已广泛应用于国防军事领域。但是，氧化钒自身的吸光性能较差，需要借助氮化硅等红外吸收材料以及复杂的光学腔体结构；同时，氮化硅材料的红外吸收波段在长波红外(8～12um)，而在中波红外(3～5um)波段的吸收很低，不能实现宽波段红外成像。以石墨烯为主的碳纳米材料作为具有良好的宽谱吸收特性，光谱吸收范围可以从紫外到太赫兹波段，包括石墨烯薄膜、石墨烯纳米墙、碳纳米管、石墨烯微片等。授权号为CN101886261B的中国专利技术了一种用于微测辐射热计的氧化钒薄膜及其制作方法，以及授权号为CN101900607B的中国专利技术了一种用于红外探测器的氧化钒薄膜及其制作方法，制备了一种氧化钒-碳纳米管复合膜结构，用以增强红外吸收和热敏特性。授权号为CN102419212B的中国专利技术了一种氧化钒复合薄膜及其制备方法，制备了氧化钒－富勒烯－碳纳米管三元复合薄膜复合膜结构作为太赫兹探测器或红外探测器的热敏电阻材料及光吸收材料，能够提高器件的综合性能。碳纳米管或者富勒烯均具有较好的红外吸收特性，但是结构单一，其在宽波红外(3～12um)波段的吸收仍然较低。申请公开号为CN105486414A的中国专利技术了一种基于石墨烯的微测辐射热计，该微测辐射热计采用石墨烯作为宽波段红外吸收敏感层，采用悬空支撑层微孔结构提高了红外探测灵敏度，结构简单，成本低，且具有优异的非制冷宽波段红外探测性能。但是石墨烯或者石墨烯纳米墙的通常通过化学气相沉积制备，为高温工艺，所涉及的转移工艺也难以控制，与传统的微测辐射热计的工艺不兼容。常规微测辐射热计的微桥悬空结构在制备时，通常需要以聚酰亚胺等聚合物作为牺牲层，而化学气相沉积的工艺温度通常高于600℃，会造成牺牲层的破坏；而转移工艺会引入缺陷，很难控制薄膜的一致性。此外，磁控溅射作为一种低温沉积工艺，广泛应用于光电器件制备，通过磁控溅射沉积碳薄膜也发展成熟；但是，常规溅射工艺制备的碳薄膜多为致密薄膜，而且碳薄膜的碳多以sp3杂化存在。对于红外吸收碳材料而言，sp2杂化的碳薄膜具有更好的红外吸收特性；此外，多孔结构会改变碳薄膜的折射率，提高薄膜的红外吸收率。针对sp2/sp3的比例调控问题，高温退火通过氧气选择性刻蚀sp3[FengS,etal.Porousstructurediamondfilmswithsuper-hydrophilicperformance[J].DiamondandRelatedMaterials,2015,56:36-41]，但是仍然存在高温工艺兼容性问题。因此，需要开发一种宽波段红外吸收薄膜的低温制备工艺，实现针对微测辐射热计的多孔碳纳米薄膜的制备。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种多孔碳纳米薄膜及微测辐射热计，优化碳纳米薄膜的孔隙率，控制碳纳米薄膜中sp2杂化的含量，实现微测辐射热计宽波段红外的高效吸收，提高器件的红外成像性能。结合材料和器件结构的合理优化，用以解决传统微测辐射热计红外吸收波段窄、红外吸收率低的问题。本技术的技术方案如下：一种多孔碳纳米薄膜，所述碳纳米红外薄膜中sp2杂化状态的碳含量高于75％，薄膜的孔隙半径为30nm～500nm，孔隙率为30％～70％，多孔碳纳米薄膜的厚度为30nm～3000nm。本技术还提供一种微测辐射热计，其特征在于，包括上述述多孔碳纳米薄膜，所述碳纳米薄膜向下依次为热敏感层，氮化硅支撑层，所述氮化硅支撑层通过支撑桥墩与金属反射层形成红外吸收谐振腔，所述金属反射层位于衬底之上。作为优选，所述多孔碳纳米薄膜与热敏感层之间还设置有氮化硅红外吸收层。作为优选，所述热敏感层为非晶硅(α-Si)或氧化钒(VOx)，厚度为50nm～500nm。作为优选，所述金属反射层的金属选自Au、Ag、Pt、Cu、Ti或Al，厚度为100nm～1000nm。作为优选，所述氮化硅支撑层的厚度为50nm～1000nm。作为优选，所述氮化硅红外吸收层的厚度为30nm～2000nm。本技术的多孔纳米薄膜不仅能够提高器件的红外吸收率和探测灵敏度，而且可以实现宽波段红外吸收，器件结构简单，工艺兼容，有优异的非制冷红外探测性能。本技术所提及的“高纯碳材料”是指碳含量高于99.9％。本技术所提及的“高真空”是指压强≤10-5Pa；“高真空溅射腔室”是指溅射腔室中的压强≤10-5Pa。附图说明图1实施例1所制备的多孔碳纳米薄膜的SEM图图2实施例4所制备的基于多孔碳纳米薄膜的宽波段微测辐射热计，其中101为多孔碳纳米薄膜，102为热敏感层，103为氮化硅支撑层，104为支撑桥墩、105为硅衬底和106为金属反射层107为红外吸收谐振腔；图3实施例2所制备的多孔碳纳米薄膜的SEM图图4实施例5所制备的基于多孔碳纳米薄膜的制备红外吸收增强的微测辐射热计，其中201为多孔碳纳米薄膜，202为氮化硅红外吸收层，203热敏感层，204氮化硅支撑层，205为支撑桥墩，206为硅衬底，207为金属反射层，208为红外吸收谐振腔。具体实施方式以下对本技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本技术，并非用于限定本技术的范围。实施例1本实施例中的碳纳米薄膜中sp2含量高于75％，薄膜的孔隙半径为30nm，孔隙率为30％，多孔碳纳米薄膜的厚度为30nm；采用两步刻蚀的方法制备，具体包括以下步骤：1)、采用磁控溅射的进行碳纳米薄膜沉积，将碳纳米薄膜的沉积基材送入溅射腔室，以高纯碳材料作为溅射靶材，在高真空(≤10-5Pa)溅射腔室内注入氩气和氧气的混合气体，其中氩气作为溅射气氛，氧气作为反应气氛；2)、控制步骤1)所述的氩气和氧气的混合比例和注入气体总量，氩气和氧气的混合比例为100:2，使溅射腔室的压强为0.2Pa；3)、待步骤2)所述的溅射腔室的压强稳定在目标值后，设置溅射功率为100w，激活高纯碳靶材，开始进行溅射沉积碳薄膜，达到预设碳薄膜厚度后停止溅射并关闭氧气，其中溅射过程中的微量氧气形成的氧等离子体可以对碳薄膜中的sp3进行部分刻蚀，并形成内部纳米孔隙结构；4)、控制注入溅射腔室的氩气流量，使溅射腔室的压强为0.5Pa，激活金属Au溅射靶材，在步骤3)所制备的碳薄膜表面沉积3nm的超薄金属，取出样品备用；5)、将步骤4)所制备的碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔碳纳米薄膜，其特征在于，所述碳纳米薄膜中sp2杂化状态的碳含量高于75％，薄膜的孔隙半径为30nm～500nm，孔隙率为30％～70％，多孔碳纳米薄膜的厚度为30nm～3000nm。

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳纳米薄膜，其特征在于，所述碳纳米薄膜中sp2杂化状态的碳含量高于75％，薄膜的孔隙半径为30nm～500nm，孔隙率为30％～70％，多孔碳纳米薄膜的厚度为30nm～3000nm。2.一种红外微测辐射热计，其特征在于，包括如权利要求1所述多孔碳纳米薄膜，所述碳纳米薄膜向下依次为热敏感层，氮化硅支撑层，所述氮化硅支撑层通过支撑桥墩与金属反射层形成红外吸收谐振腔，所述金属反射层位于衬底之上。3.如权利要求2所述红外微测辐射热计，其特征在于，所述多孔碳纳米薄膜与热敏感层之间还设置有氮化硅红外吸收层。4.如权利要求2或3所述红外微测...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊，魏兴战，汤林龙，申钧，周大华，冯双龙，史浩飞，杜春雷，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：新型
国别省市：重庆;50