[发明专利]一种工作频率可调的非制冷型太赫兹探测器

说明书

本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器。该太赫兹探测器由金属‑介质‑金属结构和衬底组成，自上而下包括金属微结构、介质腔层、金属薄膜层、匹配层和柔性衬底层。介质腔层的厚度和金属微结构的尺寸和形状可以调节太赫兹探测器的探测频率。这种太赫兹探测器无需额外的吸收材料，无需制冷，良好的绝热性能，偏振可选择等突出性能优势；且具有结构简单、易于大面积制备、波长可调、柔性可弯曲等一系列优点，在太赫兹信号探测上有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能材料领域，涉及一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器，尤其涉及一种可集成的、频率可调的非制冷太赫兹探测器。

技术背景

太赫兹光波是一种波长介于微波和红外波之间的电磁波，其频率约为 0.1-10THz，太赫兹光子对应的能量范围与分子和材料的低频振动能量范围相匹配。由于其特殊的电磁波谱位置使太赫兹技术可广泛应用于宽带通信、医疗诊断、环境检测、安全、军事、核技术等多个行业。属于基础研究和前沿研究的热门科学技术领域。太赫兹探测技术在太赫兹技术发展中具有重要研究价值。当前商用太赫兹探测器中的热释电探测器具有响应速度慢，稳定性差等缺点从而限制了其广泛使用，因此研究具有高响应速度，高灵敏度的热释电太赫兹探测器具有较大价值。传统的热释电探测器通常为电容器结构，并且需要外加的吸收层将光能转换为热能，热信号用来改变热释电层材料的极化状态，通过表面电荷的重新排布从而实现光源信号的探测。其中吸收层将光信号转换为热信号再传递到热释电材料层需要较长的时间，同时较大的电容面积等原因导致器件响应速度慢。

等离激元超构材料的发展为太赫兹热释电探测器的研究提供了一个新的思路。金属-介质-金属结构的超吸收体，其中热释电材料作为介质腔层，整个吸收体将吸收的光转换为热，无需传统热释电探测器中的吸收层，直接实现信号的探测。与传统探测器相比可显著提高器件的响应速度。并且通过调整介质腔层的厚度和金属微结构的形状和尺寸可实现不同频率的信号探测。

为提高热释电探测器的性能，本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器,结构为金属-介质-金属三层结构的超吸收体，其中介质腔层为热释电材料。该探测器具有高响应速度，高稳定性和高灵敏度。

发明内容

本发明公开了一种工作频率可调的非制冷太赫兹探测器，结构示意图如图 1所示。包括金属微结构1、介质腔层2、匹配层3、金属薄膜层4、柔性衬底层5。调整介质腔层的厚度和金属微结构的形状和尺寸，可实现从远红外到太赫兹波段(0.1-10THz)信号的探测。

如附图1所示的金属微结构1的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼，厚度为40nm。微结构形状为条形光栅、圆形孔、方形孔、或十字形；

如附图1所示的介质腔层2是聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯二元聚合物、聚偏氟乙烯三元聚合物、钛酸锶钡、锆钛酸铅或氧化锌薄膜。利用时域有限差分方法、边界元或有限元方法仿真设计介质腔层的厚度。

如附图1所示的匹配层3是铬、钛或镍层，厚度为5-10nm。

如附图1所示的金属薄膜层4的材料是金、银、铜、铝、钨、钽、或铼金属薄膜的一种，通常为100-150nm。

如附图1所述的柔性衬底层5是无粘性的聚酰亚胺薄膜，厚度为5-10μm。

该探测器具有结构简单，无需额外的吸收层材料，有良好的绝热性能，偏振可选择，工作频率可调等突出的性能优势；易于大面积制备、柔性可弯曲等优点，在太赫兹信号探测上有良好的应用前景。

附图说明

图1是非制冷太赫兹探测器的结构示意图。

图2是上电极为光栅的非制冷太赫兹探测器的吸收光谱图，其中图(a)

是数值模拟的吸收光谱图；图(b)是实验测试的吸收光谱图。