鑒于紅外線在電磁波譜中的特殊位置,紅外探測(cè)一直是紅外技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向,其在夜視成像、無(wú)損檢測(cè)、疾病診斷、軍事偵察和工業(yè)流程監(jiān)控等等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展依賴于關(guān)鍵探測(cè)材料的創(chuàng)新發(fā)展。石墨烯是近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的新興材料,其獨(dú)特的狄拉克能帶結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯高電子遷移率、寬光譜響應(yīng)和靜電摻雜調(diào)諧等特殊的光電性質(zhì),為研制高性能紅外探測(cè)器件提供了研究空間。針對(duì)石墨烯超薄材料的弱吸收以及光電探測(cè)性能局限問(wèn)題,本論文對(duì)石墨烯的紅外增強(qiáng)吸收和紅外探測(cè)響應(yīng)特性開(kāi)展了深入研究,建立了石墨烯的紅外光學(xué)仿真模型,設(shè)計(jì)并制備了石墨烯Salisbury屏和石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)原型器件,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了單層石墨稀40%的紅外吸收效率以及石墨烯本身作為探測(cè)材料在1550 nm波長(zhǎng)處的紅外探測(cè)響應(yīng)。研究結(jié)果有助于理解石墨烯的紅外響應(yīng)基礎(chǔ)特性,對(duì)于發(fā)展基于石墨烯的紅外探測(cè)器件具有研究?jī)r(jià)值。論文的主要研究成果包括:1、建立了石墨烯多層膜傳輸矩陣模型,理論預(yù)測(cè)了單層石墨烯100%的紅外全吸收性質(zhì)。受限于石墨烯超薄的單原子層厚度,石墨烯本身僅僅具有2.3%的光吸收率,該微弱吸收限制了石墨烯光電器件的效率和性能。本... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：134 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

紅外光電探測(cè)器發(fā)展歷程[1,2]

）需要與紅外輻射能量匹配，例如最常見(jiàn)的紅外探測(cè)材料硅[13-15]、鍺半導(dǎo)體材料[16-18]。以使用最廣泛的硅半導(dǎo)體材料為例說(shuō)明，本征硅的半導(dǎo)體禁帶寬度等于1.12eV，制作成的硅光電探測(cè)器，可以對(duì)紫外、可見(jiàn)光到紅外波段的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，探測(cè)范圍涵蓋部分近紅外（0.78μm-1.1μm）范圍[19]。為了使其探測(cè)范圍向波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外方向拓展，可以采取對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行雜質(zhì)摻雜的方法改變材料內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)，利用摻雜元素形成的雜質(zhì)能級(jí)的光電效應(yīng)，讓波長(zhǎng)響應(yīng)范圍向更長(zhǎng)的紅外延伸。選擇不同的摻雜材料可以達(dá)到不同的效果[20]。如圖1-2中列舉了對(duì)硅、鍺進(jìn)行雜質(zhì)摻雜后探測(cè)器的性能匯總[21]。按圖所示可以發(fā)現(xiàn)，在硅中進(jìn)行砷（As）、磷（P）或鎵（Ga）等元素?fù)诫s，可以使硅材料的最長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)達(dá)到28μm；對(duì)鍺摻雜鋰（Li）、鈹（Be）、銅（Cu）或鎵（Ga）等不同金屬元素，可以使鍺探測(cè)器的最長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)增加到150μm。圖1-2不同摻雜類型的硅和鍺紅外探測(cè)器[21]從19世紀(jì)開(kāi)始，隨著各種新紅外材料的發(fā)明，紅外光電探測(cè)器進(jìn)入到全新的發(fā)展階段，各種類型的窄禁帶寬度半導(dǎo)體材料的發(fā)明，如Ⅲ-Ⅴ族，Ⅳ-Ⅵ族以

鶚粲?機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）技術(shù)，可以生長(zhǎng)制作更高質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ族類半導(dǎo)體材料[24,25]。伴隨材料生長(zhǎng)技術(shù)和探測(cè)器制備工藝條件的不斷進(jìn)步，如今InGaAs光電探測(cè)器已經(jīng)有成熟的生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)波長(zhǎng)為1.68μm的紅外輻射的歸一化探測(cè)率D*最高可以達(dá)到1015cmHz1/2W-1數(shù)量級(jí)，如圖1-3所示[26]。此類材料的性能受溫度影響，在295K的室溫工作環(huán)境下，探測(cè)器D*性能受影響降低到1013cmHz1/2W-1。雖然工作環(huán)境溫度的上升使探測(cè)器的性能下降，但是InGaAs光電探測(cè)器仍可在室溫環(huán)境下使用，是面向此波段探測(cè)的最佳候選者。圖1-3InGaAs光電探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)1.68μm歸一化探測(cè)率D*隨溫度變化趨勢(shì)[26]以InGaAs為典型代表的Ⅲ-Ⅴ族類光電探測(cè)器雖然能夠很好的滿足對(duì)于短波紅外的探測(cè)，但是對(duì)于波長(zhǎng)更長(zhǎng)的中波紅外（MWIR，3μm-6μm），長(zhǎng)波紅外（LWIR，6μm-15μm）或者超長(zhǎng)波紅外（VLWIR，15μm-30μm）卻不再合適。Ⅳ-Ⅵ族化合物材料的發(fā)明（例如PbSnTe、PbSnSe等），通過(guò)調(diào)節(jié)不同材料比例的組分，可以獲得更小能量的禁帶寬度，從而將探測(cè)范圍向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍拓展[27-29]。Ⅳ-Ⅵ族化合物紅外探測(cè)器受溫度因素影響更加嚴(yán)重。為了保證其探測(cè)率，往往選擇在77K的環(huán)境下工作，這就需要利用液氮制冷技術(shù)。相比于

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]傅立葉紅外光譜儀（FTIR）的基本原理及其應(yīng)用[J]. 王明智.  科技風(fēng). 2014(06)
[2]數(shù)字鎖相放大器原理及其Matlab仿真[J]. 王歡,秦斌.  電子制作. 2013(11)
[3]數(shù)字鎖相放大器的實(shí)現(xiàn)研究[J]. 趙俊杰,郝育聞,郭璐璐,金明錄.  現(xiàn)代電子技術(shù). 2012(03)



本文編號(hào)：3620764