一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光电探测器及人体辐射探测器制造技术

受北极熊皮毛结构的保温特性启发，本发明专利技术公开了一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法。本发明专利技术专利创造性地提出了具有独特的减反射功能和保温功能仿生毛发结构，不仅可以有效的减少光线的反射并提高材料的光吸收系数，还能降低材料的热能逸散。结合半导体材料CdS创造性地设计了AAO/CdS自供电光电热探测器，该探测器在光电热效应的辅助下不仅可以检测超出材料带隙限制的光波，还对环境的热感应非常灵敏。解决了传统光电器件的温度控制、外部偏压和窄带隙限制问题。本发明专利技术提出了一种在室温下集能量收集、储存热量、低热辐射热损失于一体的光电子器件。热辐射热损失于一体的光电子器件。热辐射热损失于一体的光电子器件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光电探测器及人体辐射探测器


[0001]本专利技术属于光电探测领域，尤其涉及一种基于光热电耦合效应增强的非制冷 /自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法。

技术介绍

[0002]具有从可见光(Vis)到长波红外(LWIR)的出色光谱响应的超宽带光电探测器因其具有广泛应用的优势而受到广泛关注。特别是，针对8到14μm波段的长波红外光电探测器是一个重要的大气窗口，在低温下实现的成像、环境远程、生物医学测试和基于激光的自由空间通信中发挥着关键作用。尽管取得的重大进展已经大大增加了它们的应用，但许多缺点阻碍了性能的提高并限制了红外光电探测器的更广泛应用。最值得注意的是，光伏光电探测器和光电导光电探测器受到窄带隙的限制。此外，通常需要低温冷却和外部偏置来降低热噪声、减少电子
‑
空穴对复合并改善载流子转移，以实现光伏和光电导的快速检测速度和高光响应性，尤其是在中波红外(MWIR，3
‑
5μm)和LWIR。最近，量子阱光电探测器在没有低温冷却的情况下极大地提高了长波红外探测的性能，克服了材料的内在限制，如带隙、电子随温度的漂移速度，但这些设备依赖于外部偏置，并且需要昂贵的制造方法。并且，测辐射热光电探测器(SnSe光电探测器)在LWIR照射下表现出很大的光响应性，但光测辐射热效应仅在外部偏置下引起电阻/电流。此外，已证明热光电探测器可在室温下显着增强Vis检测和LWIR检测的性能，但是需要较大的温度梯度以延长通道长度，因此需要高激光功率(用于LWIR检测的 785W cm
‑2)。值得注意的是，热光电探测器(r
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STO光电探测器)可以探测低功率长波红外辐射，实现了人的手指感应，然而，人的手指与光电探测器悬挂端的距离仅为1.5毫米左右，响应时长显示(大约几秒钟)。因此，开发新的工作机制来探索没有低温冷却和外部偏置的新型室温宽带光电探测器，特别是对于 LWIR传感，具有相当大的兴趣和迫切需要，这可以提供解决这些缺点并将其推向实际应用的潜力。
[0003]作为一种灵活的温度波动/变化发电方式，由于非中心对称晶体结构的热释电材料具有将随时间变化的温度波动(dT/dt)转化为电能的潜力，这种潜力源于极化水平依赖的温度波动。在这种情况下，热释电最近引起了极大的关注，并被广泛应用于许多领域，包括能量收集、热成像和光电检测。特别是，与热电材料相比，热释电材料不需要跨越它们的空间温度梯度(dT/dx)并且不采用精细的绝热。此外，由于其非中心对称性，当引起温度变化(dT/dt≠0)时，热释电材料会从诱导的热电极化电荷产生瞬时电位，这提供了宽带响应的潜力，甚至超出了热释电材料固有的带隙限制。此外，通过利用异质结、肖特基结和功能结构中的热释电效应，可以有效地改善光致热释电电势调制的光电过程，如产生、分离、扩散和复合。因此，热释电探测器在低成本制造、低功率要求、室温操作、快速光响应和在较宽的温度范围和较宽的光谱带宽内相对较高的灵敏度等方面显示出优势，特别是对于红外，这已被广泛研究。尽管对热释电材料及其光电探测进行了大量研究，但关于紫外(UV)
‑
可见光探测的报道最多。此外，通过材料改进和异质结优化，热释电光电探测器的光响应带已扩
展到近红外(1550nm3、880 nm
23
、1064nm
17
)。此外，通过功能结构优化，已经报道了一种MWIR(3.66μm)热释电探测器。理论上，作为能量收集器和转换器，热释电光电探测器的性能与能量收集、温度变化率(dT/dt)和电荷密度的变化有关。值得注意的是，受能量收集、光热调节和温度变化率(dT/dt)的限制，热释电光电探测器中的低功率光和长波红外响应仍然是一个巨大的挑战，几乎没有相关报道，特别是室温下对人类手指响应。因此，当前热释电光电探测器的温度变化率(dT/dt)和电荷密度变化亟待改善。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法。本专利技术受到动物毛发保温特性的启发，独创地设计了一种全新的仿毛发阳极氧化铝AAO结构并与硫化镉(CdS)结合。该仿生结构不但能减少光线传播在AAO上的损耗并提高CdS光吸收能力，还能起到“保温”的效果以降低基于热释电效应的CdS的热能逸散并拓宽响应范围，并且AAO能够使空穴聚集在交界处致使空穴电子的复合率降低从而提高探测效率，解决了传统光电器件的温度控制、外部偏压和窄带隙限制问题。本专利技术首次公开了基于仿毛发增强的AAO_CdS自供电光电热探测器，该探测器在光电热效应的辅助下不仅可以检测超出材料带隙限制的光波，还对环境的热感应非常灵敏。
[0005]为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1：在动物毛发保温特性的启发下，设计了一种全新的仿毛发阳极氧化铝结构，并对该结构不断优化。
[0008]S2：通过水热法在仿生毛发结构AAO自组装具有纤锌矿结构的CdS纳米颗粒，使用仿生毛发结构AAO与半导体CdS作为探测器的光响应材料制作被动式人体辐射探测器，设计这种结构以扩宽材料的响应范围。
[0009]优选地，所述步骤S1进一步包括：
[0010]S11：选取纯度为99.9％的铝片对其机械抛光处理；
[0011]S12：将抛光的铝片依次分别用超纯水、丙酮、无水乙醇、超纯水超声清洗干净，再将铝片置于30
‑
90℃的干燥箱中干燥45
‑
90分钟；
[0012]S13：将预处理好的铝片置于化学气相沉积系统中，于所述化学气相沉积系统内通入保护气体，加热升温所述化学气相沉积系统，将退火完毕的铝片干燥保存。其中，所述保护气体为氩气、氩氢混合气体或其他惰性气体，所述化学气相沉积系统的加热温度为300
‑
700℃。
[0013]S14：将退火完毕的铝片完全浸泡于脱脂溶液中，在超声下脱脂几分钟，脱脂完毕将铝片取出用超纯水反复清洗2
‑
10次，在30
‑
90℃的干燥箱中干燥90
‑
150 分钟。其中，所述脱脂溶液为1
‑
3mol/L的氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的任意一种或几种的组合。
[0014]S15：将经脱脂处理的铝片与直流电源正极相连，石墨电极与直流电源负极相连，两电极置于电解液中，电解液置于冷却系统中，对铝片进行电解，设置电压为150V
‑
280V，电解时间为2
‑
6h。电解完成后，将铝片用超纯水清洗干燥。其中，所述电解液为少量H3PO4、
H2C2O4、H3PO2、Na2WO4·
2H2O加入到一定量的超纯水中磁力搅拌几小时制备而成。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：选取一基底材料，进行预处理，构建仿生毛发结构模板，所选基底材料为具有高光透射率、低导热系数材料。S2：于上述具有高光透射率低导热系数仿生毛发结构模板上化学或物理沉积半导体纳米材料得到半导体光电薄膜。S3：于S2所述半导体光电薄膜构建非对称电极，通过非对称电极实现自给能特性。2.根据权利要求1所述的一种基于光热电耦合效应增强的非制冷/自供电中红外光探测器及人体辐射探测器的设计方法及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：S11：机械抛光，将选取的模板材料进行简单的机械抛光。S12：模板预处理，将抛光的模板依次分别用超纯水、丙酮、无水乙醇、超纯水超声清洗干净，再将模板置于30
‑
90℃的干燥箱中干燥45
‑
90分钟。S13：高温退火，将预处理好的模板置于化学气相沉积系统中，于所述化学气相沉积系统内通入保护气体，加热升温所述化学气相沉积系统，将退火完毕的基底干燥保存。其中，所述保护气体为氩气、氩氢混合气体或其他惰性气体，所述化学气相沉积系统的加热温度为300
‑
700℃。S14：模板脱脂处理，将退火完毕的模板完全浸泡于脱脂溶液中，在超声下脱脂几分钟，脱脂完毕将模板取出用超纯水反复清洗2
‑
10次，在30
‑
90℃的干燥箱中干燥90
‑
150分钟。S15：阳极氧化，将经脱脂处理的模板与直流电源正极相连，石墨电极与直流电源负极相连，两电极置于电解液中，电解液置于冷却系统中，对模板进行电解，设置电压为150V
‑
280V，电解时间为2
‑
6h。电解完成后，将模板用超纯水清洗干燥。S16：去除残余金属，将经几次阳极氧化的基底浸泡于去除残余金属溶液中3
‑
6h，再用超纯水将基底清洗干燥。其中，所述去除残余金属溶液由一定量的CuCl2·
2H2O和HCl溶于一定量H2O中，磁力搅拌配制而成。S17：扩孔处理，将去除残余金属完毕的基底浸泡于扩孔溶液中1
‑
4h,使用超纯水清洗干燥。所述电解液...

【专利技术属性】
技术研发人员：田军龙，罗敏媛，刘思祥，吴澍，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：