[发明专利]一种基于碳纳米管的红外成像探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外光探测器，具体涉及一种基于半导体碳纳米管制备的红外成像光探测器，以及其制备方法。

背景技术

红外光探测是在光探测领域中一个非常重要的方向，在科学领域以及工业、军事应用中得到了广泛的应用，包括监控、制造工艺控制、光通讯、生物以及军事上的夜间探测等。基于各种材料的红外光探测器目前是各国科学家的研究热点。基于传统半导体材料的红外探测器，尽管可以实现较高的量子效率以及低温下良好的极限探测性能，并且可以实现很高的探测度和很快的响应速度，但是由于技术难度大，工艺复杂，价格较高，难以更大规模应用，尤其在室温条件下的高性能宽谱红外探测器一直未能得到较好实现。

碳纳米管具有优异的电学和光学性能，碳纳米管被认为是构建性能优异的红外光探测器的理想材料。碳纳米管作为典型的一维材料，具有构建高性能红外光探测器的全部性质。首先，半导体性碳纳米管是直接带隙的材料，具有对称的能带结构，并且碳管的带宽大小与其直径成反比关系，而碳管的直径可以在大范围内进行调控，这决定了碳管可以在1um-12um的范围内进行探测，这远远超过了一般的红外光探测器的探测范围。其次，碳纳米管在室温下具有很高的电子和空穴迁移率，使得碳管可以作为性能优异的导电沟道材料。此外，碳纳米管提纯技术的发展使得半导体性碳纳米管的纯度可以达到99%，并且自组装方法的应用可以获得大面积的碳管薄膜，使得碳管薄膜器件可以进行大规模加工和应用。最后，尤其重要的一点是因为碳纳米管具有独特的能带结构，半导体性碳纳米管同时具有近乎完美的电子型接触金属钪（Sc）【Z.Y.Zhang,X.L.Liang,S.Wang,K.Yao,Y.F.Hu,Y.Z.Zhu,Q.Chen,W.W.Zhou,Y.Li,Y.G.Yao,J.Zhang,and L.-M.Peng,Nano Letters7(12)(2007)3603】和金属钇（Y）【L.Ding,S.Wang,Z.Y.Zhang,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,T.Pei,L.J.Yang,X.L.Liang,J.Shen,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li,and L.-M.Peng,Nano Letters9(2009)4209】，以及空穴型接触金属Pd【A.Javey,J.Guo,Q.Wang,M.Lundstrom,H.J.Dai,Nature424(2003)654】。

采用不同的金属分别实现电子和空穴的欧姆接触为构建基于碳纳米管的高性能红外探测器的实现提供了保证。申请人先前在单根半导体碳纳米管两端分别采用Pd和Sc接触电极已经成功制备出高性能的光电二极管【S.Wang,L.H.Zhang,Z.Y.Zhang,L.Ding,Q.S.Zeng,Z.X.Wang,X.L.Liang,M.Gao,J.Shen,H.L.Xu,Q.Chen,R.L.Cui,Y.Li and Lian-Mao Peng,J.Phys.Chem.C113(2009)6891】，如图1所示，图2是实验测量得到的图1所示碳纳米管光电二极管的电压-电流曲线，这种结构的光电二极管具有较好的光电转换特性。

但作为红外光探测器的应用而言，基于这种结构的单根碳纳米管的红外探测器的一个明显的缺点是输出光电流太小，探测器的电流响应度低，无法满足实际的弱光探测需要，这主要是由于单根碳纳米管材料的对入射光相对较小的光吸收面积。

此外，传统的红外光伏探测器单个像素一般为几十平方微米，同时也可以通过级联几十甚至几百个光电二极管来提高探测器总的信噪比【Edson Gomes Camargo,Koichiro Ueno,Yoshifumi Kawakami,Yoshitaka Moriyasu,Kazuhiro Nagase,Masayuki Satou,Hidetoshi Endo,Kazutoshi Ishibashi,Naohiro Kuze,Optical Engineering47(2008)014402】。而在传统的多结级联的红外光探测器中，一般采用金属加上隧穿结的方式将不同材料或者相同材料的探测器单元进行连接，隧穿结的制备工艺复杂，需要考虑晶格匹配，带隙等多种因素，例如需要采用不同的重掺杂材料进行连接，隧穿结的性能往往决定了探测器的最后性能。

鉴于单根碳管入射光吸收面积相对较小以及传统半导体制备工艺的复杂性，研究基于一维的碳管材料如何大面积制备出大阵列、室温下工作的高性能的红外光成像探测器具有极为重要的意义。

发明内容