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目前的研究中，基于表面等離子體共振（SPR）效應的納米天線(xiàn)可以分別與熱釋電紅外探測器和熱電堆紅外探測器進(jìn)行片上集成。這種片上集成使得紅外探測器能夠實(shí)現窄帶探測并應用于非色散紅外（NDIR）氣體傳感器，這有助于實(shí)現NDIR氣體傳感器小型化及實(shí)現多組分氣體傳感。

近日，華中科技大學(xué)的科研團隊提出并構建了一種片上集成納米天線(xiàn)的量子點(diǎn)（QD）光電探測器，以進(jìn)一步克服熱探測器的局限性，例如相對緩慢的響應速度和較低的探測率。這項研究證明了集成納米天線(xiàn)的窄帶光電探測器在紅外氣體傳感應用中的優(yōu)勢。這項研究成果以“Nanoantenna integrated narrowband photodetector for infrared gas sensing”為題發(fā)表在Sensors and Actuators: B. Chemical期刊上，通訊作者為劉歡教授。

該項目重點(diǎn)研究了硫化鉛（PbS）膠體量子點(diǎn)（CQD），因為其對近紅外光有很強的吸收性，并且易于與硅襯底集成。首先需要完成PbS量子點(diǎn)的合成，圖1展示了PbS量子點(diǎn)合成和配體置換的過(guò)程。隨后，研究人員利用微納工藝實(shí)現了量子點(diǎn)與光學(xué)納米天線(xiàn)的集成。這種片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS光電探測器的制備流程如圖2所示。研究人員在PbS膠體量子點(diǎn)層上通過(guò)PECVD生長(cháng)SiO2和電子束蒸發(fā)（EBE）生長(cháng)金（Au）納米盤(pán)，以形成金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構。

圖1 （a）PbS量子點(diǎn)合成示意圖，（b）配體置換步驟

圖2 片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器的制備流程圖

研究人員利用紫外光-可見(jiàn)光-近紅外光吸收光譜（UV-Vis-NIR）測試研究了量子點(diǎn)的吸收特性，相關(guān)結果如圖3a所示。隨后，研究人員通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）分析了量子點(diǎn)薄膜的表面形貌（如圖3b和圖3c）。從圖中可以看出，利用電子束蒸發(fā)和電子束曝光等微納制備工藝可以更高質(zhì)量地制備Au納米盤(pán)陣列。

圖3 PbS膠體量子點(diǎn)薄膜的結構表征

窄帶光電探測器的性能主要取決于兩個(gè)參數：中心波長(cháng)處的響應度和半峰全寬（FWHM）。利用納米天線(xiàn)，可以同時(shí)改善這兩個(gè)參數。在可見(jiàn)光和近紅外光范圍內，納米天線(xiàn)已被證明可以提高光電探測器的光譜選擇性。利用納米天線(xiàn)可以實(shí)現窄帶光電探測器。在制備了片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)光電探測器之后，研究人員使用經(jīng)典的NDIR測試系統進(jìn)行氣體傳感性能測試。圖4a展示了NDIR測試系統，該系統由寬帶光源、準直透鏡、氣室、片上集成光學(xué)天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)光電探測器和數字源表（Source Meter）組成。

圖4 （a）NDIR測試系統，（b）片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器

接著(zhù)，研究人員對PbS量子點(diǎn)探測器與片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器的光電性能進(jìn)行了測試和比較，相關(guān)結果如圖5所示。結果表明，片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器具有更高的比探測率和更窄的半高全寬。

圖5 PbS量子點(diǎn)探測器與片上集成光學(xué)納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器的光電性能比較

最后，研究人員通過(guò)NDIR系統對不同濃度的NH3和CH4進(jìn)行了測試。結果表明，具有集成光學(xué)天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器無(wú)需在探測器前放置濾光片，可以實(shí)現更低濃度的氣體檢測。

綜上所述，這項研究提出并制備了一種片上集成納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)光電探測器，并將其應用于氣體傳感研究。這種片上集成納米天線(xiàn)的PbS量子點(diǎn)探測器在約1300 nm的峰值波長(cháng)處實(shí)現窄帶光學(xué)響應，與未集成納米天線(xiàn)的探測器相比，其響應度提高了44%?；谄霞杉{米天線(xiàn)的窄帶光電探測器的NDIR氣體傳感應用研究表明，在無(wú)需額外窄帶濾光片的情況下，就能獲得對特定氣體（如CH4和NH3）的選擇性，并且由于在特定波長(cháng)處的光響應較高，從而實(shí)現較低的檢測限。通過(guò)設計工藝協(xié)同優(yōu)化和迭代，可以實(shí)現對目標氣體特征吸收峰的精準匹配。這項研究證明了片上集成納米天線(xiàn)的窄帶量子點(diǎn)光電探測器在紅外氣體傳感應用的優(yōu)勢。因此，將納米天線(xiàn)集成到中紅外探測器中并將其應用于氣體探測，展示出極具前景和前瞻性的潛力。