基于金属微纳超表面的极化探测器、制备方法及片上光谱仪

本发明涉及极化探测器、制备方法及片上光谱仪，具体涉及一种基于金属微纳超表面的极化探测器、制备方法及片上光谱仪。

背景技术：

1、光谱仪能够获取目标物质的光谱信息，实现物质定性识别与定量分析，广泛应用于大气环境遥感监测、半导体薄膜与微纳光学器件表征、生物医药检测、工业无损在线监测、农业高光谱感知、天文探测以及材料基础科学研究等领域。

2、当前主流的傅里叶变换光谱仪依托迈克尔逊干涉仪调制光程差，产生随光程差变化的干涉信号，通过傅里叶数学变换，将时域干涉图转换为频域光谱。光谱分辨率高、通光量大、信噪比优异、红外波段适配性强、全波段同步采集；但是，其机械结构精密复杂、成本高、抗震性差，高速动态检测场景受限，数据运算依赖算法处理等缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有傅里叶变换光谱仪，机械结构精密复杂、成本高、抗震性差，高速动态检测场景受限，数据运算依赖算法处理的技术问题，而提供一种基于金属微纳超表面的极化探测器、制备方法及片上光谱仪。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案为：

3、一种基于金属微纳超表面的极化探测器，其特殊之处在于：包括自下向上依次堆叠设置的金属电极、衬底、极化薄膜、金属超表面薄膜及透明电极；

4、所述衬底为n型硅，其掺杂浓度为；

5、所述极化薄膜为具备自发极化的热释电材料，其厚度为500nm~1μm；

6、所述金属超表面薄膜包括呈周期排布的多个纳米图案，每个纳米图案均包括多个呈阵列排布的纳米柱，用于吸收外部光辐照生成光生电子注入所述极化薄膜中，金属超表面薄膜的厚度为50nm-100nm；

7、所述透明电极与金属超表面薄膜紧密贴合连接，并在相邻纳米柱之间的间隙处与极化薄膜直接接触，以形成导电通路；

8、所述外部光辐照透过透明电极，入射金属超表面薄膜，生成光生电子后，注入到极化薄膜中，调整极化薄膜的剩余极化强度，释放极化电荷形成电流，以将光信号转换为电信号，通过与衬底连接的金属电极和透明电极输出至外部数字源表，用于根据外部数字源表测量的电信号值计算外部光辐照的光信息。

9、进一步地，所述透明电极的材料为ito、igzo中的一种，其厚度为200nm-500nm。

10、进一步地，所述金属电极的材料为金、银、铝中的一种，其厚度为200nm~500nm。

11、进一步地，所述极化薄膜的材料为cds、cdse、sns、batio3、pbtio3、pbzrtio3、srtio3、litao3、linbo3、pvdf中的一种。

12、进一步地，每个所述纳米柱的形状、尺寸及相邻纳米柱的间距均与外部光辐照的波长适配。

13、进一步地，所述纳米柱的数量与外部光辐照的光斑面积呈正比例关系。

14、进一步地，所述光信息包括波长和光强。

15、同时，本发明还提供一种上述基于金属微纳超表面的极化探测器的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

16、步骤1、采用磁控溅射方法，在衬底的上表面溅射第一预设厚度的极化薄膜；

17、步骤2、采用旋转涂布法，在极化薄膜上旋涂第二预设厚度的光刻胶，旋涂转速为4000 rpm -6000 rpm，之后，放入烘箱中，采用150℃~180℃的烘烤温度，烘烤2min~5min，得到固化光刻胶膜；

18、步骤3、采用电子束光刻法，使用100kv的电子束，按照预设周期性表面吸光结构设计版图，在固化光刻胶膜上进行扫描曝光，得到潜影胶膜；

19、步骤4、将潜影胶膜浸入显影液中，显影30s~60s后，在极化薄膜上形成呈周期排布的多个纳米孔，之后放入烘箱中，采用120℃~150℃的烘烤温度，烘烤1min~2min，得到光刻胶掩模；

20、步骤5、采用脉冲激光沉积方法，在光刻胶掩模上沉积au或ag，其沉积速率为0.5~2å /s，得到胶膜/双层金属复合结构；

21、步骤6、将胶膜/双层金属复合结构浸入丙酮中超声5min~10min，溶解掉胶膜及其上层附着的金属，得到金属超表面薄膜；

22、步骤7、采用磁控溅射的方法，在金属超表面薄膜上制备透明电极；

23、步骤8、采用磁控溅射方法，在衬底的下表面制备金属电极，完成基于金属微纳超表面的极化探测器的制备。

24、进一步地，步骤1中，第一预设厚度为500nm~1μm；

25、步骤2中，第二预设厚度为50nm-100nm；

26、步骤3中的曝光剂量为100~300μc/cm²。

27、同时，本发明还提供一种基于金属微纳超表面的极化探测片上光谱仪，其特殊之处在于：包括上述基于金属微纳超表面的极化探测器。

28、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

29、1、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测器，通过将金属超表面薄膜与具备自发极化热释电材料的极化薄膜结合，利用金属超表面薄膜吸光生成光生电子，注入极化薄膜中，实现极化薄膜剩余极化强度的调整，达到极化探测器检测光的目的。

30、2、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测器，结构简单，通过设计不同的纳米柱的形状、尺寸及相邻纳米柱的间距，以使响应光的波长调整范围更宽，波长、响应速度、响应强度等参数均可定制化，大幅提升极化探测器的集成度，具备阵列化拓展优势。

31、3、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测器，将极化薄膜材料设计为cds、cdse、sns、batio3、pbtio3、pbzrtio3、srtio3、litao3、linbo3、pvdf中的一种，可以实现柔性、透明等特殊探测场景，应用场景更为广泛。

32、4、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测器，由于金属超表面薄膜利用局域表面等离子体共振与纳米间隙腔模式，可以实现近完美光吸收，将入射光能量高度局域在纳米尺度内并高效转化为热能，生成光生电子，其生成光生电子的速度以及极化薄膜剩余极化强度改变的速度均很快，使极化探测器响应速度相较于传统光电效应的速度提升较大，尤其在红外波段的提升愈发明显。

33、5、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测器的制备方法，制备工艺简单，可靠，制造成本低。

34、6、本发明一种基于金属微纳超表面的极化探测片上光谱仪，并通过设计不同的纳米图案，实现极化探测片上光谱仪的设计，具备结构简单、成本低、响应速度快等优势。避免了传统光谱仪中复杂的机械结构以及光学结构，具有小型化与集成化优势。

1.一种基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：包括自下向上依次堆叠设置的金属电极（1）、衬底（2）、极化薄膜（3）、金属超表面薄膜（4）及透明电极（5）；

2.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：所述透明电极（5）的材料为ito、igzo中的一种，其厚度为200nm-500nm。

3.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：所述金属电极（1）的材料为金、银、铝中的一种，其厚度为200nm~500nm。

4.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：所述极化薄膜（3）的材料为cds、cdse、sns、batio3、pbtio3、pbzrtio3、srtio3、litao3、linbo3、pvdf中的一种。

5.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：每个所述纳米柱的形状、尺寸及相邻纳米柱的间距均与外部光辐照的波长适配。

6.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：所述纳米柱的数量与外部光辐照的光斑面积呈正比例关系。

7.根据权利要求1所述基于金属微纳超表面的极化探测器，其特征在于：所述光信息包括波长和光强。

8.一种权利要求1-7任一所述基于金属微纳超表面的极化探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述基于金属微纳超表面的极化探测器的制备方法，其特征在于：步骤1中，第一预设厚度为500nm~1μm；

10.一种基于金属微纳超表面的极化探测片上光谱仪，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述基于金属微纳超表面的极化探测器。