專利名稱：一種太赫茲輻射吸收層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲探測與成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲輻射吸收層及其制備方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz, THz)波指頻率介于O.1 IOTHz (波長3mm 30 m)的電磁輻射，其電磁波譜位于微波和紅外波段之間，因此，太赫茲系統(tǒng)兼顧電子學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢。長期以來，由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，人們對于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以至 于該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙。該波段也是電磁波譜中有待進行全面研究的最后一個頻率窗口。近年來由于自由電子激光器和超快激光技術(shù)的發(fā)展，為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產(chǎn)生機理、檢測技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研究得到蓬勃發(fā)展。與其它波段的電磁波相比，THz電磁波具有如下獨特特點①THz波的波長處于微波及紅外光之間，因此在應(yīng)用方面相對于其它波段的電磁波，如微波和X射線等，具有非常強的互補特征THz波的典型脈寬在亞皮秒量級，不但可以進行亞皮秒、飛秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地防止背景輻射噪音的干擾THz波具有很高的時間和空間相干性，這一特點在研究材料的瞬態(tài)相干動力學(xué)問題時具有極大的優(yōu)勢；④THz波的光子能量低。頻率為ITHz的電磁波的光子能量只有大約4meV，因此不會對生物組織產(chǎn)生有害的電離，適合于對生物組織進行活體檢查。THz波的這些特點使其在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動通訊、尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達等方面具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲探測器是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵器件之一。在太赫茲探測器的開發(fā)和應(yīng)用中，檢測太赫茲信號具有舉足輕重的意義。因為，一方面，與較短波長的光學(xué)波段電磁波相t匕，太赫茲輻射光子能量低，背景噪聲通常占據(jù)顯著地位；另一方面，隨著太赫茲探測技術(shù)在各領(lǐng)域特別是軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用的深入開展，不斷提高接收靈敏度成為必然的要求。由于赫茲探測器探測單元中的熱敏感薄膜對太赫茲輻射吸收很弱，使得太赫茲輻射信號檢測的難度較大。傳統(tǒng)的紅外探測器，如微測輻射熱計，對太赫茲的吸收僅為紅外吸收的2 5%左右，甚至比器件材料的不均勻度還要低，故極難區(qū)分噪音與被檢信號。因此，需要增加單獨的太赫茲輻射吸收層以增強探測器的吸收性能。要求太赫茲輻射吸收層的反射率低，與下層材料的粘附性要好。目前常用的太赫茲輻射吸收材料為有機黑體、黑金和N1-Cr等。在這幾種物質(zhì)中，黑金的反射率最低，但它的粘附性不是很好。黑色樹脂的反射率也比較低，但比較厚，而且熱阻較大，可能會阻礙熱量向敏感薄膜的傳播。目前，超薄金屬膜作為THz探測器的吸收層與THz波段抗反射涂層得到了廣泛關(guān)注。厚度低于50nm的金屬或金屬復(fù)合薄膜用作太赫茲輻射吸收層時對探測器的熱容影響很小，利于高響應(yīng)速率探測單元的制作。N. Oda等報道了將金屬薄膜用作太赫茲輻射吸收層進行 THz-QVGA 探測器制備的研究(N. Oda, etc, “Development of Bolometer-typeUncooled THz-QVGA Sensor and Camera，，， The 34th International Conference onInfrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol.1, 2009),由于熱敏薄膜對太赫茲輻射的弱吸收性，太赫茲輻射吸收層是THz-QCGA與非制冷IRFPA在單元結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別。通過調(diào)整薄膜電阻至適當(dāng)值，可將太赫茲探測靈敏度提高5 8倍(N. Oda,etc, “Detection of Terahertz Radiation from Quantum Cascade Laser, UsingVanadium Oxide Microbolometer Focal Plane Arrays，，，Proc. of SPIE, Vol. 6940,pp. 69402Y-1-69402Y-12, 2008)。C. C. Ling等報道了對鉍金屬-介質(zhì)復(fù)合膜系結(jié)構(gòu)吸收太赫茲福射的研究(C. C. Ling, etc, “Large Area Bolometers for THz PowerMeasurements，，， IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 42,pp. 758-760，2002)。這種結(jié)構(gòu)中，40 150nm的鉍膜被蒸發(fā)制備在采用熱生長與LPCVD方法制備的三層介質(zhì)復(fù)合薄膜上。測試結(jié)果表明，制備有鉍金屬層的復(fù)合薄膜的太赫茲輻射吸收率比無鉍金屬層的相同介質(zhì)薄膜提高了 60%。C. Bolakis等報道了一種制備在娃襯底上的太赫茲福射吸收薄膜堆棧結(jié)構(gòu)，由介電布拉格反射鏡和薄的鉻金屬膜組成，應(yīng)用于雙相材料太赫茲傳感器(C. Bolakis, etc, “Design and Characterization ofTerahertz-Absorbing Nano-Laminates of Dielectric and Metal Thin Films，，，OpticsExpress, Vol. 18, pp. 14488-14495，2010)。復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)吸收了 3 5THz 內(nèi)入射太赫茲輻射的20%。通過有限元建模優(yōu)化鉻金屬薄膜的厚度，分析結(jié)果表明當(dāng)金屬薄膜厚度為9nm時,太赫茲福射吸收率可達到50%。F. Alves等研究了 Ni和Cr金屬薄膜在I IOTHz內(nèi)的太赫茲福射吸收率(F. Alves, etc, “Highly absorbing nano-scale metal films forterahertz applications，，，Optical Engineering, Vol. 51, pp. 063801-1-063801-6，2012)，通過控制金屬薄膜厚度(2. 5 50 nm)，其太赫茲輻射吸收率可達到47%，結(jié)果證明金屬薄膜可用于太赫茲探測器的吸收層材料。M. Schossig等報道了 NiCr合金薄膜用作熱釋電太赫茲探測器的吸收層與電極(M. Schossig, etc, “Infrared Responsivityof Pyroelectric Detectors with Nanostructured NiCr Thin-Film Absorber，，， IEEESENSORS JOURNAL, Vol. 10，pp. 1564-1565，2010)。采用熱蒸發(fā)方法將吸收層與上電極一步沉積，調(diào)整沉積角度形成光學(xué)納米棒結(jié)構(gòu)的NiCr薄膜,制備的NiCr薄膜具有更低的折射率與反射率，獲得更高的太赫茲輻射吸 收率。在這些文獻報道中，均采用一層金屬薄膜作為太赫茲輻射吸收層，但經(jīng)過理論計算與實驗結(jié)果，金屬薄膜對太赫茲輻射的吸收率極限為 50%ο國內(nèi)關(guān)于太赫茲探測技術(shù)與太赫茲輻射吸收層的研究與處于起步階段。專利200910216064. 4公開了一種太赫茲輻射平面吸收材料，先在襯底表面制備連續(xù)金屬反射層，然后制備介質(zhì)層，再在介質(zhì)層上制備人工電磁媒質(zhì)層。人工電磁媒質(zhì)層由周期性排列的人工電磁媒質(zhì)單元構(gòu)成，每個單元為一個線寬為t的金屬薄膜線條形成的中心對稱圖形，包括中間由兩個單開口金屬環(huán)相向連接的電開口環(huán)共振器；還包括兩個與電開口環(huán)共振器兩側(cè)長邊背向連接的單開口金屬環(huán)。該發(fā)明所提出的太赫茲輻射平面吸收材料具有兩個強吸收頻段，可以提供不同頻段的選擇性吸收和探測。同時可以吸收更大頻譜范圍的太赫茲輻射，提高了太赫茲輻射平面吸收材料的性能和效率。這種太赫茲輻射平面吸收材料需要制備多層結(jié)構(gòu)并圖形化，制備工藝較為復(fù)雜。本研究小組在專利201110434601中公開了一種增強太赫茲輻射吸收率的膜系結(jié)構(gòu)及其制備方法，該膜系結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)薄膜及位于其上的太赫茲輻射吸收層。制備方法為先采用PECVD混頻技術(shù)制備的低應(yīng)力氮化硅或氧化硅薄膜，該介質(zhì)薄膜被反應(yīng)離子刻蝕為微納米量級的粗糙表面，然后由磁控濺射法制備在表面粗糙的介質(zhì)薄膜上制備金屬薄膜，獲得高體表比的介質(zhì)與金屬薄膜的膜系結(jié)構(gòu)以增強太赫茲輻射吸收率。這種方法需要先通過刻蝕介質(zhì)薄膜獲得粗糙的表面結(jié)構(gòu)，然后制備金屬太赫茲輻射吸收層形成介質(zhì)-金屬膜系結(jié)構(gòu)。這種金屬薄膜太赫茲輻射吸收率最高才50%，影響太赫茲輻射探測器的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何突破金屬薄膜的太赫茲輻射吸收限制，顯著增強太赫茲探測器探測單兀的太赫茲福射吸收率，提聞探測器的太赫茲福射探測性能。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種太赫茲輻射吸收層,包括金屬太赫茲輻射吸收薄膜,其特征在于所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜上設(shè)置有可吸收太赫茲輻射的有機分子薄膜。進一步地，所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜為制備在太赫茲探測器探測單元的上電極金屬薄膜或在探測單元的頂層單獨制備金屬太赫茲輻射吸收薄膜。進一步地，所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜具有粗糙表面。進一步地，金屬太赫茲輻射吸收薄膜的材料為黑金、鉍、鋁、鈦、鎳或鉻中的一種或者上述金屬中的任何具有合適性質(zhì)的合金。進一步地,所述金屬太赫茲福射吸收薄膜的表面粗糙度為l_20nm,具有高表體比，具有粗糙表面的金屬薄膜能夠有效吸附有機分子膜。進一步地，所述有機分子薄膜由氨基分子、花生酸分子中的一種或它們的混合物構(gòu)成。利用有機分子膜的原子`間振動或轉(zhuǎn)動能級與太赫茲輻射能量相匹配的特性，可提供高太赫茲輻射吸收率。本發(fā)明還公開了一種太赫茲輻射吸收層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
①制備太赫茲探測器探測單元的上電極金屬薄膜，或在探測單元的頂層單獨制備金屬太赫茲輻射吸收薄膜，進行表面處理使得金屬薄膜表面粗糙；形成金屬太赫茲輻射吸收薄膜。(I)將有機分子薄膜吸附于步驟I制備的金屬薄膜粗糙表面，形成太赫茲輻射吸收層。按照本發(fā)明所提供的太赫茲輻射吸收層的制備方法，具體制備過程與方法如下
①在制備金屬薄膜前，先清洗敏感單元頂層表面，去除表面沾污，并對襯底進行200°C下烘烤，除去表面的水汽；
②采用蒸發(fā)、磁控濺射等方法制備金屬薄膜。調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，控制薄膜厚度為IOnm 60nm;
1I1采用干法刻蝕、濕法腐蝕等方法進行金屬表面處理，使得金屬薄膜的表面粗糙度為l-20nm,具有高表體比；
中采用氣固界面吸附、液固界面吸附、拉膜法等方法將有機分子膜吸附于金屬薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層。
與金屬薄膜最高50%的太赫茲輻射吸收率不同，某些有機分子利用其原子間振動或轉(zhuǎn)動能級與太赫茲輻射能量匹配，對太赫茲輻射具有強烈的吸收特性，如氨基分子，花生酸分子等，其中花生酸對太赫茲輻射的吸收可高達90%。金屬薄膜具有可吸附有機分子的特性，通過干法刻蝕、濕法腐蝕等方法進行金屬薄膜表面處理，使得金屬薄膜的表面粗糙度化，形成高表體比的金屬薄膜，可有效促進有機分子膜的吸收。因此，我們提出一種太赫茲輻射吸收層及其制備方法，首先制備太赫茲探測器探測單元的上電極金屬薄膜，或在探測單元的頂層單獨制備金屬太赫茲輻射吸收薄膜，進行表面處理使得金屬薄膜表面粗糙，然后將有機分子膜吸附于金屬薄膜的粗糙表面，有機分子膜與具有高表體比的金屬薄膜一起形成太赫茲輻射吸收層。利用有機分子超強的太赫茲輻射吸收特性，可突破金屬薄膜的太赫茲輻射吸收限制，顯著增強探測單元的太赫茲輻射吸收率，提高探測器的探測性能。本發(fā)明的有益效果提供了一種太赫茲輻射吸收層，它通過將有機分子膜吸附于粗糙的金屬薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層。利用有機分子原子間振動或轉(zhuǎn)動能級與太赫茲輻射能量匹配的特性，提供高太赫茲輻射吸收率，突破金屬薄膜的太赫茲輻射吸收限制，顯著增強太赫茲探測器探測單元的吸收效率，提高探測器的太赫茲輻射探測性能，并且制備工藝簡單合理，易大面積制備與集成，與MEMS工藝兼容，可廣泛應(yīng)用于各種太赫茲探測與成像技術(shù)領(lǐng)域。
圖1中a d為本發(fā)明的太赫茲輻射吸收層的簡易制備流程；
圖2中a e為本發(fā)明的實施例1的簡易制備流程；
圖3中a e為本發(fā)明的實施例2的簡易制備流程；
其中，1、襯底，2、金屬薄膜，3、有機分子膜，4、底層讀出電路，5、電路接口，6、犧牲層，7、支撐層，8、金屬電極與引線，9、敏感薄膜，10、鉻吸收薄膜，11、氨基分子膜，12、鉭酸鋰晶片，13、下電極，14、BCB聚合物材料，15、硅基底，16、鎳鉻合金薄膜，17、花生酸有機分子膜。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以及實施例對本發(fā)明作進一步描述
本發(fā)明提供一種太赫茲輻射吸收層。該吸收層的制備流程如圖1所示。包括準(zhǔn)備襯底1，并清洗表面，如圖Ι-a所示；制備金屬薄膜2，如圖Ι-b所示；進行表面處理使得金屬薄膜表面粗糙，如圖Ι-c所示；將有機分子膜3吸附于金屬薄膜粗糙表面，形成太赫茲輻射吸收層，如圖Ι-d所示。金屬薄膜采用蒸發(fā)、磁控濺射等方法制備。調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，控制薄膜厚度為IOnm 60nmo采用干法刻蝕、濕法腐蝕等方法進行金屬薄膜表面處理，使得金屬薄膜的表面粗糙度為I 20nm，具有高表體比。采用氣固界面吸附、液固界面吸附、拉膜法等方法將有機分子膜吸附于金屬薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層。以下通過實施例對本發(fā)明做進一步說明
實施例1一種太赫茲輻射吸收層，該吸收層制備在太赫茲微陣列探測器探測單元的頂層上，如圖2所示。太赫茲微陣列探測器的探測單元如圖2_a所示。陣列單元制備在具有底層讀出電路4的硅片上，其中讀出電路留有與后續(xù)加工的MEMS器件的接口 5，然后生長犧牲層6、支撐層7、金屬電極與引線8與敏感薄膜9等并分別圖形化。犧牲層材料為光敏聚酰亞胺(PSPI)材料；支撐層材料由氮化娃和氧化娃的復(fù)合薄膜構(gòu)成；金屬電極為鎳鉻合金；敏感薄膜為氧化釩薄膜。采用磁控濺射法制備鉻太赫茲輻射吸收薄膜10。調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，控制薄膜膜厚為20nm,如圖2_b所示。采用反應(yīng)離子刻蝕方法對鉻薄膜進行表面處理。刻蝕氣體為由BCl3與Cl2組成的混合氣體，氣體流量比為30 sccm:10sccm，射頻功率為500W，反應(yīng)室壓力為4Pa，轟擊時間為lOmin，使得金屬薄膜具有粗糙表面，如圖2-c所示。進行犧牲層材料的釋放，如圖2-d所示。采用氣固界面吸附的方法將氨基分子膜11吸附在粗糙的鉻金屬薄膜表面，形成太赫茲福射吸收層，如圖2-e所示。實施例2
一種太赫茲輻射吸收層，該吸收層制備在鉭酸鋰晶體薄片敏感元件的頂層上，如圖3所示。鉭酸鋰晶體薄片敏感元件如圖3-a所示。其前期制備流程為在鉭酸鋰晶片12上制備下電極13，用BCB聚合物材料14將鉭酸鋰晶片粘結(jié)到硅基底15上，通過研磨與拋光對鉭酸鋰晶片進行減薄。 采用磁控濺射法制備30nm鎳鉻合金薄膜16，鎳鉻薄膜同時作為敏感元件的上電極與金屬吸收層薄膜，如圖3-b所示。采用濕法腐蝕方法對鎳鉻合金薄膜進行表面處理。腐蝕液為硝酸鈰銨、醋酸與水配置的混合溶液，硝酸鈰銨、醋酸與水的比例為1:5:20，腐蝕時間為10s，表面處理后的鎳鉻合金薄膜具有粗糙表面，如圖3-c所示。通過加熱剝離將敏感元件與基底分離，并刻蝕掉下層的BCB聚合物材料，如圖3-d所示。采用拉膜法將花生酸有機分子膜17吸附在粗糙的鎳鉻合金薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層，如圖3-e所示。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲輻射吸收層，包括金屬太赫茲輻射吸收薄膜，其特征在于所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜上設(shè)置有可吸收太赫茲輻射的有機分子薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲輻射吸收層，其特征在于所述有機分子薄膜由氨基分子、花生酸分子中的一種或它們的混合物構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲輻射吸收層，其特征在于所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜為制備在太赫茲探測器探測單元的上電極金屬薄膜或在探測單元的頂層單獨制備金屬太赫茲輻射吸收薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲輻射吸收層，其特征在于金屬太赫茲輻射吸收薄膜的材料為黑金、鉍、鋁、鈦、鎳或鉻中的一種或者上述金屬中的任何具有合適性質(zhì)的合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲輻射吸收層，其特征在于所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜具有粗糙表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種太赫茲輻射吸收層，其特征在于所述金屬太赫茲輻射吸收薄膜的表面粗糙度為l_20nm。
7.一種太赫茲輻射吸收層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟I制備太赫茲探測器探測單元的上電極金屬薄膜，或在探測單元的頂層單獨制備金屬太赫茲輻射吸收薄膜，進行表面處理使得金屬薄膜表面粗糙，形成金屬太赫茲輻射吸收?、趯⒂袡C分子薄膜吸附于步驟I制備的金屬太赫茲輻射吸收薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種太赫茲輻射吸收層的制備方法，其特征在于，具體制備方法如下①在制備金屬薄膜前，先清洗敏感單元頂層表面，去除表面沾污，并對襯底進行200°C 下烘烤，除去表面的水汽；②采用蒸發(fā)或磁控濺射方法制備金屬薄膜，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，控制薄膜厚度為IOnm 60nmo采用干法刻蝕或濕法腐蝕方法進行金屬表面處理，使得金屬薄膜的表面粗糙度為 l-20nm,形成金屬太赫茲福射吸收薄膜。Φ采用氣固界面吸附、液固界面吸附或拉膜方法將有機分子薄膜吸附于金屬太赫茲輻射吸收薄膜表面，形成太赫茲輻射吸收層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種太赫茲輻射吸收層的制備方法，其特征在于，所述有機分子薄膜由氨基分子、花生酸分子中的一種或它們的混合物構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲輻射吸收層及其制備方法，該吸收層制備在太赫茲探測器探測單元的頂層，包括金屬薄膜與吸附于其表面的有機分子膜。所述金屬薄膜為探測單元的上電極或單獨制備的金屬太赫茲輻射吸收薄膜，具有表面粗糙和吸附有機分子膜的特性。有機分子膜利用其原子間振動或轉(zhuǎn)動能級與太赫茲輻射能量匹配特性進行太赫茲輻射吸收，具有粗糙表面的金屬薄膜與其一起形成太赫茲輻射吸收層。利用有機分子膜對太赫茲輻射的高吸收率，可突破金屬薄膜的吸收限制，顯著增強探測單元的太赫茲輻射吸收，提高探測器的太赫茲探測性能。
文檔編號G02B5/00GK103035983SQ201310003469
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者王軍, 茍君, 黎威志, 蔣亞東, 吳志明, 劉子驥 申請人:電子科技大學(xué)