纳米材料在增强探测器探测性能中的应用

1 纳米粉末涂层增强光电探测器性能

随着社会科技的进步，市场对探测器响应速度的要求也明显提高。薄层型光电探测器则可以获得相当高的响应速度，但是，这时候它的光学吸收性变差，甚至有可能使器件的灵敏度降低，就这这一点而言，表现最为明显的是硅光电探测器，这主要是因为Si具有的间接带隙特性致使它的吸收系数与III-V族材料相比要低得多。

Stuart等人的实验已经表明，要想实现明显提高硅薄膜型光电探测器的光吸收特性的目标，只需要增添一层金属的纳米粉末涂层。他们的实验是以绝缘片上硅（SOI）光电探测器为基础的，器件的结构示意图如图1所示。其下面是一块比较厚的硅（Si）衬底，上面是一层厚度为165mm的单晶硅（Si），中间则用一层厚度大约为200 nm二氧化硅 （SiO2）隔开。在单晶Si表面上有一层氟化锂（LiF）的隔片层，把上面的银纳米粉末层和下面的单晶硅表面隔开，它的厚度是30nm。

图1 涂有银纳米粉末涂层的SOI型光电探测器结构

在图2中，我们比较了三种纳米银粒对光电流响应的增强作用，这三种纳米银粒的平均直径分别是40nm、66nm、108nm。其中，增强倍数指的是在有纳米粒表面层和没有这种表面层时两种情况下所产生的光电流的比值。显然由下图可以看到，其最大的增强倍数处于入射光的中心波长接近λ= 800 nm的波段；另外，随着平均颗粒直径D的增加，响应增强倍数也增加，对于直径最大的纳米粒（D=108nm），它的光谱吸收的最大增强倍数接近是20倍，这相对原先的铜纳米粉末涂层能够增强光电流响应的报道则是一个非常大的提高。他们初步认为这些现象与两种物理效应有关联：（1）是随着纳米粒直径的增加，它所导致的有效散射也将增强；（2）是由于纳米Ag粒的辐射与SOI波导模式的耦合作用，改变金属粉末薄膜的谐振特性。

图2 表面银纳米粉末涂层增强的SOI型光电探测器的光电增强响应光谱

SOI结构是集成电路的新一代平台（基座）。金属纳米粉末涂层与SOI波导模式的相互作用，能够明显提高薄膜型SOI光电探测器的光吸收特性，这样的事实表明，随着研究的不断深入，光子技术同电子技术之间的联系会越来越密切，这一技术将有望广泛应用在许多需要把光能量耦合到非常小的介电区去的场合中。除此之外，如果精心筛选纳米粉末涂层的材料和颗粒大小，将有望把光电流响应增强的光谱范围延伸到红外区之外。

2 纳米颗粒镶嵌改善聚合物光电探测器性能

聚对苯乙烯（PPV）是一种一维结构的典型的线状共轭聚合物，它的带隙能数值与可见光能量差不多，在光电学领域应用前景十分广阔。而聚[2-甲氧基-5(2’-乙基已氧基）对苯撑乙烯]（MEH-PPV）是PPV的一种衍生物,它在在光电器件上应用前景也非常广阔。但是与由无机半导体材料制作的光电器件相比，完全由MEH-PPV制成的光电器件的电子和空穴迁移率无疑要低了很多，这导致了MEH-PPV光电器件的探测效率非常低。

图3 玻璃衬底上MEH-PPV光电探测器示意图

实验显示：往MEH-PPV光电探测器中嵌入PbSe纳米颗粒，可提高光电探测器的量子效率。图3是宾夕法尼亚大学研究小组制作的光电探测器的示意图。其中氧化铟锡（ITO）膜适宜作为透明电极材料，因为它能透过太阳光谱中的可见光，反射红外光，且电阻率低，对玻璃附着力强；PEDOT-PSS层能够改善探测器的载流子输运；往MEH-PPV聚合物中均匀地镶嵌PbSe、QDs，形成混合体，可以作为器件的工作层；最后把铝膜蒸在MEH-PPV/PbSe上，作为器件的上电极。

图4 不同MEH-PPV占混合物的重量百分比的MEHPPV/PbSe光电探测器，在510nm单色光照射下的I-V曲线

图4展示了探测器的I-V特性，由图中可以得出，随着往MEH-PPV镶嵌百分比的增加，器件的光电流逐渐降低。往中嵌入约5%的PbSe时，可以使光电流获得最大值，此时的光电流大约为无镶嵌PbSe时的四倍；但当嵌入的PbSe大于50%时，光电流和未掺杂PbSe几乎一致。这说明了只有往MEH-PPV聚合物材料中加入适量的 PbSe时，才能提高MEH-PPV光电探测器的性能。

近来研究表明：往传统探测器中涂层或镶嵌纳米材料可以增加传统探测器的性能。尽管传统探测器存在精度低，集成化程度低，稳定性不好等缺点，但由于传统探测器大多存在制作工艺简单，制作时间短，成本低等优点，这使得它仍具有一定的市场价值。这一研究为解决传统探测器的缺点提供了一种良好的途径。

3 总结

综上所述：由于纳米材料具有传统体材料所没有的特性，从而使它在探测领域拥有巨大潜力。纳米材料除了本身能构建出高灵敏度的各类探测器，而且在改善和提高传统探测器的性能方面具有重要的研究意义，纳米涂层和纳米颗粒镶嵌能够显著提高探测器的性能。可以预见，随着经济的发展和社会的进步，对纳米材料的研究将不断深入。而纳米材料对社会的影响也越来越大。纳米材料的应用也必将深入到人们生活的方方面面。