本技術(shù)涉及紅外光測量領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于半金屬材料的紅外光探測裝置及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、紅外光指波長范圍大致在0.75μm到1000μm之間光波，具體地，按照波長范圍分為近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外、遠(yuǎn)紅外。紅外光具有熱輻射、非破壞性、較強(qiáng)的煙霧穿透性等特性，廣泛應(yīng)用于夜視和熱成像、醫(yī)學(xué)診斷、遙感和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。準(zhǔn)確探測紅外光對于清晰熱成像、精確檢測空氣中的污染物等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)很關(guān)鍵。

2、半金屬材料具有部分金屬和部分半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，導(dǎo)電性介于金屬和半導(dǎo)體之間，費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間。半金屬材料通常具有較寬的能帶結(jié)構(gòu)，能夠響應(yīng)從近紅外到中遠(yuǎn)紅外的廣泛光譜范圍，對紅外光有較強(qiáng)的響應(yīng)；半金屬材料中的電子和空穴遷移率較高，載流子壽命較短，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的光電響應(yīng)，這對于高速通信和動(dòng)態(tài)成像等需要高頻率響應(yīng)的紅外探測非常有利；因此，半金屬材料在紅外探測領(lǐng)域具有較大的市場前景，詳見題目為“high-index?and?low-loss?topological?insulators?for?mid-infrarednanophotonics:?bismuth?and?antimony?chalcogenides”(advanced?opticalmaterials,2024,12,18)的論文中的介紹。然而，由于高溫（高于100℃）會(huì)導(dǎo)致載流子散射增加和熱激發(fā)載流子增加在高溫下半金屬材料的探測性能會(huì)下降。具體地，高溫會(huì)導(dǎo)致晶格振動(dòng)（聲子）增強(qiáng)，從而增加電子或空穴的散射，導(dǎo)致載流子遷移率下降，進(jìn)而降低材料的導(dǎo)電性和光電響應(yīng)；高溫下，熱激發(fā)的電子和空穴數(shù)量增加，載流子濃度增加，但由于散射效應(yīng)的增強(qiáng)，整體導(dǎo)電性會(huì)下降，使得導(dǎo)電性能下降。使用時(shí)，紅外光直接照射在半金屬材料上，改變半金屬材料的導(dǎo)電特性，通過電極和外電路探測半金屬材料的導(dǎo)電性能變化；溫度的升高使得半金屬材料的導(dǎo)電性能下降，導(dǎo)致對紅外光的探測準(zhǔn)確度降低。

3、綜上所述，在高溫下，直接利用半金屬材料進(jìn)行紅外光探測的準(zhǔn)確度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，進(jìn)行如下分析：待檢測的紅外光具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，因此，不易對熱量的來源進(jìn)行改進(jìn)；將熱量進(jìn)行隔離，使得半金屬材料層的溫度降低，從而起到抑制載流子散射增加和熱激發(fā)載流子增加的作用，導(dǎo)電性能不產(chǎn)生顯著下降。另外，高溫下半金屬材料容易被分解和氧化，形成碲酸鹽，進(jìn)一步降低導(dǎo)電性能，使得探測的準(zhǔn)確度變差。也就是，在較強(qiáng)的紅外光照射下，半金屬材料的溫度不會(huì)快速上升。因此，提供一種基于半金屬材料的紅外光探測裝置及其制備方法，以解決在高溫下，直接利用半金屬材料進(jìn)行紅外光探測的準(zhǔn)確度較低的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本技術(shù)提供一種基于半金屬材料的紅外光探測裝置，該裝置包括基底，基底上設(shè)置有半金屬材料層，半金屬材料層遠(yuǎn)離基底一側(cè)的表面上設(shè)置有電極和高分子材料層，電極設(shè)置于兩端，高分子材料層設(shè)置于兩個(gè)電極之間，高分子材料層與電極不接觸。探測時(shí)，待探測紅外光照射在高分子材料層上，高分子材料層的溫度發(fā)生變化，通過熱傳遞使得半金屬材料層的溫度產(chǎn)生變化，從而改變半金屬材料層的電阻，通過兩個(gè)電極探測半金屬材料層的電阻變化，實(shí)現(xiàn)對紅外光的探測；具體地，溫度升高時(shí)，電子-聲子散射增加，導(dǎo)致半金屬材料層電阻率上升，電阻增大。

4、本技術(shù)中待探測紅外光不是直接照射在半金屬材料層，而是直接照射在高分子材料層。高分子材料層具有良好的熱隔離特性，減少了紅外光照射時(shí)熱量傳導(dǎo)到半金屬材料層。高分子材料層吸收紅外光，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致其自身溫度升高；高分子材料層的熱傳導(dǎo)率低，能夠有效阻止外部環(huán)境的熱量直接傳導(dǎo)到半金屬材料層，減少熱量對半金屬材料電子結(jié)構(gòu)和載流子行為的影響，熱能不會(huì)迅速傳遞到半金屬材料層，從而減少了半金屬材料層的溫度升高。一方面，減少了由于溫度升高引起的噪聲和誤差，高分子材料層能夠吸收和緩沖熱噪聲，降低熱激發(fā)載流子的產(chǎn)生，提升信噪比，從而更準(zhǔn)確地檢測到較小的紅外光強(qiáng)度變化，探測準(zhǔn)確度較高；另一方面，避免了溫度升高引起的半金屬材料的熱分解，不會(huì)使得半金屬材料層熱電轉(zhuǎn)換效率降低，也就是，待探測的紅外光強(qiáng)度較大時(shí)，不會(huì)使半金屬材料層的溫度快速升高，從而半金屬材料層的熱電轉(zhuǎn)換效率不會(huì)下降，探測靈敏度仍然維持較高的水平，本技術(shù)裝置在高溫下的探測靈敏度較高；另外，半金屬材料層的穩(wěn)定性也較強(qiáng)。再一方面，高分子材料層有助于在半金屬材料層上形成均勻的溫度分布，避免局部溫度梯度導(dǎo)致的電子散射和電阻變化，避免了局部過熱和冷卻，減少溫度梯度對電學(xué)性能的影響，從而進(jìn)一步提升探測的準(zhǔn)確率。

5、進(jìn)一步地，半金屬材料層為碲化鉍或硒化鉍。首先，它們在紅外波段具有較強(qiáng)的響應(yīng)，熱電轉(zhuǎn)換效率較高，相同的溫度變化能夠引起較大的導(dǎo)電性能變化，且碲化鉍和硒化鉍具有較高的載流子遷移率，有助于提高電阻變化的敏感性，使得半金屬材料層的電阻變化較大。然后，在高溫環(huán)境下，碲化鉍和硒化鉍具有良好的穩(wěn)定性，不易分解或發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化，確保探測器在不同溫度條件下穩(wěn)定工作；低熱導(dǎo)率有助于維持探測器的溫度梯度，使得通過電極檢測電阻變化更加靈敏和準(zhǔn)確。尤其，硒化鉍具有拓?fù)浣^緣體特性，其表面態(tài)對紅外光敏感，能夠提高探測靈敏度。

6、更進(jìn)一步地，半金屬材料層的厚度為50-300nm。這樣，能夠有效吸收紅外光并保持較高的熱電性能，確保足夠的紅外光吸收。較薄的半金屬材料對溫度變化更加敏感，半金屬材料層能夠更快地達(dá)到熱平衡狀態(tài)，能夠更迅速地響應(yīng)紅外光引起的溫度變化，縮短探測器的響應(yīng)時(shí)間，從而提高探測器的。這樣的厚度還能夠減少電子和聲子的散射，維持高載流子遷移率，從而提高探測器的性能。

7、更進(jìn)一步地，高分子材料層的材料為聚偏氟乙烯。一方面，聚偏氟乙烯具有低熱導(dǎo)率，能夠有效隔離熱量，減少熱量直接傳導(dǎo)到半金屬材料層，提高紅外探測器的靈敏度和準(zhǔn)確性；對紅外光具有良好的吸收能力，能夠增強(qiáng)光電響應(yīng)。另一方面，聚偏氟乙烯具有高介電常數(shù)，在紅外光照射下會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，能夠顯著改變半金屬材料層的導(dǎo)電特性，提升探測靈敏度。具體地，在紅外光照射下，高分子材料層中分子內(nèi)部的電偶極矩重新排列，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生電場和電荷分布變化，這種極化變化會(huì)產(chǎn)生表面電荷，從而形成電場；極化效應(yīng)產(chǎn)生的電場會(huì)影響半金屬材料層中的載流子分布和遷移率，改變半金屬材料層中的電荷密度，從而改變其導(dǎo)電特性，半金屬材料層的電阻變化更加明顯，探測靈敏度提升；極化效應(yīng)產(chǎn)生的電場還有助于過濾外界噪聲，減少對半金屬材料層導(dǎo)電特性的干擾，提高信噪比，降低噪聲干擾。另外，在高溫下保持穩(wěn)定，不易分解或變形，確保探測器在高溫環(huán)境下正常工作。

8、更進(jìn)一步地，高分子材料層的厚度為500nm-5μm。厚度大于500nm，能夠確保高分子材料層產(chǎn)生較強(qiáng)的極化效應(yīng)，從而對探測靈敏度起到較好的提升作用。厚度小于5μm，一方面，確保較強(qiáng)的紅外光吸收，另一方面，避免厚度過大使得光生載流子在傳輸過程中復(fù)合，從而降低靈敏度。該厚度范圍內(nèi)，高分子材料層提供熱隔離效果，減少紅外光照射引起的熱量傳導(dǎo)到半金屬材料層的同時(shí)，也會(huì)確保適度的熱傳導(dǎo)，使溫度變化能夠有效傳遞到半金屬材料層，從而使電阻變化更加明顯、易于檢測。

9、更進(jìn)一步地，高分子材料層的上表面設(shè)置有凹陷，凹陷的深度小于高分子材料層厚度的二分之一。凹陷結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)紅外光吸收、增強(qiáng)極化效應(yīng)、增加散熱性能。具體地，一方面，表面凹陷在材料表面形成多個(gè)微小的光陷阱，使入射光在凹陷中多次反射和散射，凹陷能夠增強(qiáng)光的高分子材料層表面凹陷內(nèi)部的反射和散射次數(shù)，增加光在高分子材料層中的路徑長度，同時(shí)，減小了高分子材料層表面向上反射的紅外光，從而提高紅外光的吸收效率。另一方面，凹陷結(jié)構(gòu)使得在凹槽的邊緣區(qū)域電場增強(qiáng)，極化效應(yīng)增強(qiáng)；同時(shí)，增強(qiáng)的電場有助于光生載流子的分離，減少復(fù)合率，從而進(jìn)一步提升探測靈敏度。再一方面，凹陷增加了高分子材料層的表面積，有助于熱量的散發(fā)，降低裝置的工作溫度，防止溫度上升，使得探測靈敏度降低。

10、更進(jìn)一步地，凹陷的深度為100nm-1μm。這樣的深度能夠增強(qiáng)光陷阱效應(yīng)，增加光的多次反射和散射，有效捕獲紅外光并增強(qiáng)紅外光吸收，同時(shí)不會(huì)顯著影響機(jī)械強(qiáng)度和散熱性能。

11、更進(jìn)一步地，高分子材料層的上表面設(shè)置有氧化鋅顆粒，氧化鋅顆粒設(shè)置于凹陷中。氧化鋅顆粒在高分子材料層的凹陷中形成多個(gè)光陷阱，紅外光局域在氧化鋅顆粒中，增強(qiáng)了光場與高分子材料層的作用，使入射紅外光在凹陷中反射和散射的次數(shù)進(jìn)一步增多，從而提高紅外光的吸收效率。氧化鋅顆粒具有良好的電學(xué)性能，其表面可以形成較強(qiáng)的局部電場，凹陷中的氧化鋅顆粒增強(qiáng)了局部電場，使得高分子材料層在紅外光照射下的極化效應(yīng)增強(qiáng)，增強(qiáng)的極化效應(yīng)影響高分子材料層與半金屬材料層之間的電荷分布，進(jìn)一步改變半金屬材料層的導(dǎo)電特性，更多地改變半金屬材料層的電阻，提高探測靈敏度；同時(shí)，氧化鋅顆粒在高分子材料層的凹陷中形成的電場，有效分離高分子材料層中的光生電子和空穴，降低其復(fù)合率，從而使更多的載流子能夠遷移到半金屬材料層，導(dǎo)致更明顯的電阻變化，提升探測靈敏度。氧化鋅顆粒的存在增加了高分子材料層的表面積，且具有良好的熱導(dǎo)率，能夠提供額外的熱散熱路徑，凹陷中的氧化鋅顆粒幫助散發(fā)高分子材料層吸收到的熱量，降低整體裝置的工作溫度，防止溫度上升過快，從而保持探測靈敏度在較高水平。

12、本技術(shù)還提供了一種基于半金屬材料的紅外光探測裝置的制備方法，方法包括如下步驟：

13、步驟一、在基底表面沉積半金屬材料層；

14、步驟二、在半金屬材料層表面旋涂高分子材料層；

15、步驟三、在半金屬材料層上，高分子材料層的兩端制備電極。

16、進(jìn)一步地，步驟二中還包括利用光刻工藝和等離子體刻蝕技術(shù)在高分子材料層的表面制備凹陷。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本技術(shù)中，在半金屬材料層的上表面設(shè)置導(dǎo)熱率較低的高分子材料層；紅外光照射在高分子材料層表面，高分子材料層吸收能量，溫度升高，由于導(dǎo)熱率較低，熱量不易傳遞到下層的半金屬材料層，半金屬材料層起到了熱隔離作用，不會(huì)使得半金屬材料層的溫度快速上升，從而避免了高溫引起的載流子散射增加、熱激發(fā)載流子增加、材料分解，不會(huì)導(dǎo)致半金屬材料的導(dǎo)電性能下降，探測準(zhǔn)確度較高。同時(shí)，高分子材料層中的極化效應(yīng)會(huì)在其中產(chǎn)生電場，形成的電場改變半金屬材料層中的電荷密度，從而改變其導(dǎo)電特性，半金屬材料層的電阻變化更加明顯，提升探測的靈敏度。