一種表面等離激元增強的超導單光子探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面等離激元增強的超導單光子探測器及其制備方法。該超導單光子探測器在基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)表面布置有金納米顆粒。其制備方法包括將含有十二烷基硫醇-金納米顆粒的溶液滴入裝有水的聚四氟乙烯容器里面；待溶劑蒸發(fā)后，在水和空氣的界面形成單層的金納米顆粒層；用聚二甲基硅氧烷蘸取單層的金納米顆粒層；將聚二甲基硅氧烷上的單層的金納米顆粒層轉貼至基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線性區(qū)。相比傳統(tǒng)的基于氮化鈮的超導單光子探測器，本發(fā)明的探測器對400-1000nm波段的可見光到近紅外的光子探測效率有提升，特別是對750nm的光子探測效率提升超過10倍。
【專利說明】一種表面等離激元增強的超導單光子探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高靈敏的單光子或極微弱光信號檢測器，特別涉及基于氮化鈮的超導單光子探測器，可應用于可見光和近紅外波段的單光子或極微弱光信號的檢測。
【背景技術】
[0002]目前,基于NbN(氮化銀)的超導納米線單光子探測器(Superconducting NanowireSingle Photon Detector，簡稱SNSPD)已經(jīng)比較成熟，其較高的超導轉變溫度 2 K)，暗計數(shù)率低(10 c/s)，時間抖動小(60 ps)，響應頻譜寬(404 nnTl550 nm)，重復速度快(>100MHz)等特點，使其在量子密鑰分配，集成電路檢測，分子熒光檢測等領域有廣泛的應用。目前，SNSro的系統(tǒng)效率受以下幾個方面的限制:一個是由于制備SNSro使用的NbN (氮化鈮)薄膜具有極薄的厚度，因此，其對光子的吸收效率較低；二是SNsro具有蜿蜒的納米線結構，納米線之間具有一定的間隙，因此光子入射到蜿蜒的納米線區(qū)域后，將有一定概率從間隙通過而不能被納米線吸收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的問題是提高納米線吸收可見光至近紅外波段的光子的效率，從而提高探測器在探測可見光至近紅外波段的光子的靈敏度。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明采用的方案如下:
根據(jù)本發(fā)明的一種表面等離激元增強的超導單光子探測器，其特征在于，在基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)表面布置有金納米顆粒，金納米顆粒的粒徑為15nm~25nm。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一種表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，包括以下步驟:
52:將含有十二烷基硫醇-金納米顆粒的溶液滴入裝有水的聚四氟乙烯容器里面；
53:待溶劑蒸發(fā)后，在水和空氣的界面形成單層的金納米顆粒層；
54:用聚二甲基硅氧烷蘸取單層的金納米顆粒層；
S5:將聚二甲基硅氧烷上的單層的金納米顆粒層轉貼至基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線性區(qū)。
[0006]進一步，根據(jù)本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法還包括步驟S1:制備氮化鈮的超導單光子探測器；所述的步驟SI包括以下步驟:
511:將氧化鎂基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去離子水中超聲清洗并吹干；
512:對氧化鎂基片進行氬離子清洗；
513:采用磁控濺射的方法在氧化鎂基片上鍍上一層氮化鈮薄膜；
514:在氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條；
515:在氮化鈮薄膜上構建金薄膜電極。
[0007]進一步，根據(jù)本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，所述步驟SI中在步驟Sll之前還包括步驟SlO:對氧化鎂基片進行雙面拋光。
[0008]進一步，根據(jù)本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，所述步驟S14包括:
5141:在氮化鈮薄膜上旋涂一層電子束抗蝕劑；
5142:在電子束抗蝕劑上通過電子束刻蝕出納米線條；
5143:用反應離子刻蝕的方式對氮化鈮薄膜進行刻蝕，形成氮化鈮納米線條；
5144:洗去殘留的電子束抗蝕劑。
[0009]其中，所述的電子束抗蝕劑為聚甲基丙烯酸甲酯；步驟S144為用1-甲基2-吡咯烷酮在恒溫水浴中洗去殘留的聚甲基丙烯酸甲酯。納米線條寬為50nm?lOOnm，其間距為50nm ?IOOnm0
[0010]進一步，根據(jù)本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，所述步驟S15包括以下步驟:
5151:在氮化鈮薄膜表面旋涂光刻膠；
5152:通過深紫外曝光的方式在光刻膠上形成電極圖形；
5153:通過磁控濺射的方式鍍上一層金薄膜構成金薄膜電極；
5154:洗去光刻膠。
[0011]其中，所述光刻膠為AZ1500 ;所述的步驟S154為在丙酮中洗去AZ1500。
[0012]本發(fā)明的技術效果如下:本發(fā)明的超導單光子探測器在納米線區(qū)表面布置直徑不超過25nm有金納米顆粒。由于可見光到近紅外波段的光子入射到金納米顆粒產(chǎn)生表面等離激元效應，導致在納米顆粒表面有很強的電場增強效應，大大提高了納米線吸收該波段光子的吸收效率，進而提高超導單光子探測器在該波段的系統(tǒng)探測效率。相比傳統(tǒng)的基于氮化鈮的超導單光子探測器，本發(fā)明的探測器對400-1000 nm波段的可見光到近紅外的光子探測效率有提升，特別是對750 nm的光子探測效率提升超過10倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器的橫截面結構示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明氧化鎂基片上磁控濺射鍍膜后形成的橫截面結構示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明在電子束抗蝕劑上進行電子束光刻后的橫截面結構示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明在氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條后的橫截面結構示意圖。
[0017]圖5是本發(fā)明在經(jīng)光刻膠深紫外線曝光后的橫截面結構示意圖。
[0018]上述各圖中，I為氧化鎂基片；2為氮化鈮薄膜；21為氮化鈮納米線條，22為氮化鈮納米線條之間的線條間隙；3為金薄膜電極；4為金納米顆粒；5為電子束抗蝕劑薄膜，51為電子束抗蝕劑上電子束光刻后留下的納米線條；52為電子束抗蝕劑薄膜被電子束光刻掉的間隙；6為光刻膠，61為被光刻膠深紫外線曝光后形成電極區(qū)域。
[0019]圖6是本發(fā)明制備的表面等離激元增強的超導單光子探測器在掃描顯微鏡下的顯微放大圖。
[0020]圖7為本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器對550 nm-1650nm光子探測效率的效果圖。
[0021]圖8為本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器和傳統(tǒng)超導納米線單光子探測器對750 nm的近紅外光子的探測效率實驗結果對比圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合說明書附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0023]一、表面等離激元增強的超導單光子探測器的結構
如圖1所示，一種表面等離激元增強的超導單光子探測器，包括氧化鎂(MgO)基片1、氮化銀(NbN)薄膜2、氮化銀納米線條21、金(Au)薄膜電極3以及金(Au)納米顆粒4。其中氮化鈮納米線條21是由氮化鈮薄膜2蝕刻得到納米線條，納米線條的寬一般為50nm —lOOnm。納米線條之間的間距一般為50nm— lOOnm。納米線條之間的間距即為圖1中氮化鈮納米線條之間的間隙22。氧化鎂基片1、氮化鈮薄膜2、氮化鈮納米線條21、金薄膜電極3以及氮化鈮納米線條之間的線條間隙22構成了現(xiàn)有技術中的基于氮化鈮的超導單光子探測器。本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器是在現(xiàn)有技術中的基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)上布置了金納米顆粒4。金納米顆粒4的粒徑一般為15nm —25nm。納米線區(qū)是指圖1中氮化鈮納米線條21氮化鈮納米線條之間的線條間隙22構成的區(qū)域，也或者可以說是兩個金薄膜電極3之間的區(qū)域。
[0024]二、表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備
上述表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，包括以下步驟:
52:將含有十二烷基硫醇-金納米顆粒的溶液滴入裝有水的聚四氟乙烯容器里面；
53:待溶劑蒸發(fā)后，在水和空氣的界面形成單層的金納米顆粒層；
54:用聚二甲基硅氧烷蘸取單層的金納米顆粒層，蘸取時間為10s。
[0025]S5:將聚二甲基硅氧烷上的單層的金納米顆粒層轉貼至基于氮化鈮的超導單光子探測器。
[0026]上述過程中，基于氮化鈮的超導單光子探測器可以由自己制備或者從外界購買獲得。上述步驟S2、S3、S4、S5構成了金納米顆粒在基于氮化鈮的超導單光子探測器安裝的方法。其中步驟S2和S3為單層的金納米顆粒層的生成步驟，步驟S4和S5為將生成的單層的金納米顆粒層轉貼至基于氮化鈮的超導單光子探測器上納米線區(qū)的轉貼步驟。需要說明的是，轉貼步驟可以是單次進行，也可以是分多次進行。單次轉貼后在基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)上形成單層的金納米顆粒層。多次轉貼后在基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)上形成多層的金納米顆粒層。此外，需要說明的是，圖1中的表面等離激元增強的超導單光子探測器上的金納米顆粒為單層的圖示僅僅是示例，實際也可以為多層金納米顆粒層。
[0027]本發(fā)明中，基于氮化鈮的超導單光子探測器優(yōu)先由自己制備，其制備的方法如下:
511:將氧化鎂基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去離子水中超聲清洗并吹干；
512:對氧化鎂基片進行氬離子清洗；
513:采用磁控濺射的方法在氧化鎂基片上鍍上一層氮化鈮薄膜；
514:在氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條；
515:在氮化鈮薄膜上構建金薄膜電極。
[0028]其中步驟Sll中的氧化鎂(MgO)基片是經(jīng)過雙面拋光處理的。雙面拋光處理可以由自己加工，也可以是購買得到的氧化鎂基片本身經(jīng)過雙面拋光處理。
[0029]步驟Sll和S12均是對氧化鎂基片進行清洗的步驟，其中步驟Sll是常規(guī)清洗，步驟S12為氬離子清洗。步驟Sll的具體內(nèi)容如下:首先將雙面拋光的氧化鎂基片(以下簡稱“基片”)放入丙酮溶液中超聲清洗3飛分鐘，然后將基片放入酒精溶液中超聲清洗3~5分鐘，最后用去離子水超聲清洗3飛分鐘，用氮氣將基片吹干。其中，丙酮溶液的濃度為:99.5%以上；酒精溶液的濃度為:99.7%以上；去離子水是指除去了呈離子形式雜質(zhì)后的純水去離子水?；蹈珊筮€需要對其進行檢查，即在顯微鏡下查看其表面的潔凈度，觀察其表面是否光滑，是否無明顯灰塵雜質(zhì)。假如其表明不夠光滑，還需要重新拋光后再進行步驟Sll的常規(guī)清洗作業(yè)。假如還存在明顯的灰塵雜質(zhì)，則還需要重新進行步驟Sll的常規(guī)清洗作業(yè)。假如常規(guī)清洗后基片表面光滑，且無明顯灰塵雜質(zhì)，則再對基片進行步驟S12中的氬離子清洗。氬離子清洗在磁控濺射設備中進行，首先將基片粘上托盤，并送入磁控濺射設備的副室，進行氬離子洗，氬離子洗的目的是清除掉基片表面分子級別的雜質(zhì)。氬離子洗時，氬氣體的體積流量控制在3SCCm左右，氣壓控制在4.6~5.8X 10_2 Pa，氬離子束流控制在30mA左右,清洗時間為3min。
[0030]氬離子清洗完成后直接將基片送入磁控濺射設備的主室進行鍍膜處理即步驟S13。磁控濺射的主室安裝有氮化鈮(NbN)靶材，靶材氮化鈮的純度為99.99%以上。鍍膜處理后，如圖2所示，在氧化鎂基片I上形成了一層氮化鈮薄膜2，氮化鈮薄膜2的厚度為
4-6nm。磁控濺射鍍膜時，背景氣壓控制在2 X 10_5Pa內(nèi)；氣體采用氮氣和氬氣的混合氣體，其中，氮氣的氣體流量控制在5SCCm左右，氬氣的氣體流量控制在40SCCm左右；濺射時工作氣壓為0.27Pa左右，工作電流0.65A左右，工作電壓為42IV~423V ;濺射時間為4s~6s。
[0031]從磁控濺射設備的主室取出基片后，然后在氧化鎂基片的氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條。氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條具體的實現(xiàn)包括以下步驟:
S141:在氮化鈮薄膜上旋涂一層電子束抗蝕劑；
S142:在電子束抗蝕劑上通過電子束刻蝕出納米線條；
S143:用反應離子刻蝕的方式對氮化鈮薄膜進行刻蝕，形成氮化鈮納米線條；
S144:洗去殘留的電子束抗蝕劑。
[0032]其中，電子束抗蝕劑的厚度為70 nm左右。電子束抗蝕劑選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)0步驟S142中采用JE0L-6300曝光機來對電子束抗蝕劑進行電子束光刻，在電子束抗蝕劑上繪制出寬度為50nm~IOOnm寬度的線條圖案。電子束抗蝕劑光刻后的結構如圖3所示。圖3中，I為氧化鎂基片；2為氮化鈮薄膜；5為電子束抗蝕劑薄膜，51為電子束抗蝕劑上電子束光刻后留下的納米線條；52為電子束抗蝕劑薄膜被電子束光刻掉的間隙。然后再用反應離子刻蝕的方式對做完電子束曝光的樣品進行刻蝕，從而將電子束曝光繪制的納米線條圖形轉移到氮化鈮薄膜上而形成氮化鈮納米線條。使用的刻蝕機型號是SamcoRIE-10，刻蝕氣體為SFf^PCHF315樣品僅表面被氣體刻蝕，刻蝕方向由上往下。蝕刻具體參數(shù)如下:刻蝕氣體為SF6和CHF3的混合氣體，其中SF6的氣體流量控制在40sccm左右，CHF3的氣體流量控制在IOsccm左右；蝕刻時工作氣壓控制在4.0Pa左右；蝕刻的時間為30s，蝕刻的速度控制2nm/s?？涛g完的樣品表面還殘留有電子束抗蝕劑需要進行清洗，本發(fā)明中電子束抗蝕劑采用聚甲基丙烯酸甲酯，清洗需要用1-甲基2-吡咯烷酮在90°C的恒溫水浴中進行。清洗完成，形成了圖4中的結構。圖4中，I為氧化鎂基片；2為氮化鈮薄膜；21為氮化鈮納米線條，22為氮化鈮納米線條之間的線條間隙。
[0033]在氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條，在氮化鈮薄膜上構建金薄膜電極。構建金薄膜電極的具體步驟如下:
5151:在氮化鈮薄膜表面旋涂光刻膠；
5152:通過深紫外曝光的方式在光刻膠上形成電極圖形；
5153:通過磁控濺射的方式鍍上一層金薄膜構成金薄膜電極；
5154:洗去光刻膠。
[0034]其中，光刻膠的材料選用AZ1500。經(jīng)步驟S152的深紫外曝光后的結構如圖5所示。圖5中，I為氧化鎂基片；2為氮化鈮薄膜；21為氮化鈮納米線條，22為氮化鈮納米線條之間的線條間隙；6為光刻膠，61為被光刻膠深紫外線曝光后形成電極區(qū)域。步驟153包括兩個步驟，首先是采用磁控濺射的方式鍍上一層氮化鈮薄膜，然后再采用采用磁控濺射的方式鍍上一層金薄膜。這里鍍氮化鈮薄膜時采用的技術參數(shù)可以參考前述的磁控濺射的方法鍍氮化鈮薄膜。鍍金薄膜時具體的技術參數(shù)如下:背景氣壓控制在2X 10_5Pa內(nèi)；工作氣體采用氬氣，流量控制在40sCCm左右；濺射時工作氣壓為0.8Pa左右，濺射工作功率為80W ;濺射時間為30s左右，濺射采用的靶材為純度在99.99%以上的金。最后洗去光刻膠，由于光刻膠的材料選用AZ1500，清洗時可以采用丙酮進行清洗，清洗后即形成圖1中除金納米顆粒4之外的結構。
[0035]根據(jù)上述的基于氮化鈮的超導單光子探測器制備方法，再結合前述的金納米顆粒在基于氮化鈮的超導單光子探測器的安裝方法，即可得到如圖6所示的表面等離激元增強的超導單光子探測器。圖6為實際制備的表面等離激元增強的超導單光子探測器在掃描電子顯微鏡下的顯微放大圖。根據(jù)上述本發(fā)明的方法，金納米顆粒在氮化鈮納米線區(qū)域的覆蓋效果良好。經(jīng)實驗驗證，該方法制備的金納米顆粒附著性能好，不溶于丙酮、酒精、水等溶劑。
[0036]三、表面等離激元增強的超導單光子探測器的實驗測試
超導單光子探測器在可見光到紅外光均有不同大小的探測效率。大量實驗證明，傳統(tǒng)的超導單光子探測器的探測效率隨著光子能量的降低而逐漸降低。
[0037]圖7為本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器在置于2.3 K的GM制冷機下對550 nm-1650nm光子探測效率的效果圖。曲線從下到上偏置電流逐漸增大，從0.84的超導臨界電流(以下簡稱Ic)到0.97 Ico從曲線上我們可以看到，由于金納米顆粒對波長為400-1000 nm附近的光子吸收效率增強的效應，使得器件在該波段的光子探測效率比更短波長的光子更高。該效果圖表明，器件在部分可見光以及近紅外的光子有很強的增強效果，例如對750 nm的光子探測效率比550 nm光子的探測效率提升了 10倍左右。
[0038]本發(fā)明的表面等離激元增強的超導單光子探測器和傳統(tǒng)的超導納米線單光子探測器同時對750 nm的近紅外光子的探測效率實驗結果進行比較，從圖8中可以看到，具有金納米顆粒等離子激元增強效果的超導納米線單光子探測器比之傳統(tǒng)的超導納米線單光子探測器的探測效率遠遠大于10倍。
[0039]總之，我們通過在超導納米線上方覆蓋金納米顆粒的方式，使得超導納米線單光子探測器具有很強的表面金等離子激元增強效應，于是對部分可見光和近紅外單光子，例如在400-1000 nm波段的探測效率大大增強。這也將推進基于該波段的高靈敏度微弱光子探測的應用，比如分子熒光探測，集成電路檢測等等。
【權利要求】
1.一種表面等離激元增強的超導單光子探測器，其特征在于，在基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區(qū)表面布置有金納米顆粒。
2.如權利要求1所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器，其特征在于，所述的金納米顆粒的粒徑為15nm~25nm。
3.一種表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 52:將含有十二烷基硫醇-金納米顆粒的溶液滴入裝有水的聚四氟乙烯容器里面； 53:待溶劑蒸發(fā)后，在水和空氣的界面形成單層的金納米顆粒層； 54:用聚二甲基硅氧烷蘸取單層的金納米顆粒層； S5:將聚二甲基硅氧烷上的單層的金納米顆粒層轉貼至基于氮化鈮的超導單光子探測器的納米線性區(qū)。
4.如權利要求3所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，該方法還包括步驟S1:制備氮化鈮的超導單光子探測器；所述的步驟SI包括以下步驟: 511:將氧化鎂基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去離子水中超聲清洗并吹干； 512:對氧化鎂基片進行氬離子清洗； 513:采用磁控濺射的方法在氧化鎂基片上鍍上一層氮化鈮薄膜； 514:在氮化鈮薄膜上刻蝕出氮化鈮納米線條； 515:在氮化鈮薄膜上構建金薄膜電極。
5.如權利要求4所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述步驟Si中在步驟Sll之前還包括步驟SlO:對氧化鎂基片進行雙面拋光。
6.如權利要求4所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述步驟S14包括: S141:在氮化鈮薄膜上旋涂一層電子束抗蝕劑； S142:在電子束抗蝕劑上通過電子束刻蝕出納米線條； S143:用反應離子刻蝕的方式對氮化鈮薄膜進行刻蝕，形成氮化鈮納米線條； S144:洗去殘留的電子束抗蝕劑。
7.如權利要求6所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述的電子束抗蝕劑為聚甲基丙烯酸甲酯；步驟S144為用1-甲基2-吡咯烷酮在恒溫水浴中洗去殘留的聚甲基丙烯酸甲酯。
8.如權利要求4或6所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述的納米線條寬為50nm~IOOnm,其間距為50nm~lOOnm。
9.如權利要求4所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述步驟S15包括以下步驟: 5151:在氮化鈮薄膜表面旋涂光刻膠； 5152:通過深紫外曝光的方式在光刻膠上形成電極圖形； 5153:通過磁控濺射的方式鍍上一層金薄膜構成金薄膜電極； 5154:洗去光刻膠。
10.如權利要求9所述的表面等離激元增強的超導單光子探測器的制備方法，其特征在于，所述光刻膠 為AZ1500 ;所述的步驟S154為在丙酮中洗去AZ1500。
【文檔編號】G01J1/42GK103872155SQ201410101842
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權日:2014年3月19日
【發(fā)明者】金飚兵, 郟濤, 康琳, 吳培亨 申請人:南京大學