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Mie共振近红外全介质超表面吸收器研究

Mie共振近红外全介质超表面吸收器研究

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作者：熊清华中科技大学

学位级别：硕士

超表面是具有亚波长厚度的超材料,具有优异的光场调控特性,能够对入射光的相位、振幅及偏振态等进行调控,同时,超表面较小的尺寸便于小型化与集成化。早期超表面吸收器一般采用金属材料制作,通过设计不同的金属结构可以得到单带或多带... 详细信息

超表面是具有亚波长厚度的超材料,具有优异的光场调控特性,能够对入射光的相位、振幅及偏振态等进行调控,同时,超表面较小的尺寸便于小型化与集成化。早期超表面吸收器一般采用金属材料制作,通过设计不同的金属结构可以得到单带或多带的吸收特性,但是,金属材料的沉积与CMOS工艺不兼容,而且器件吸收区域大多位于金属材料中,这些特点限制了其进一步的应用。在近红外波段现有的传感、探测等器件中,响应度是一个重要的性能指标,有研究人员指出,可以利用掺杂硅材料的自由载流子吸收效应提高硅基热载流子探测器件的响应度。此外,基于硅等介质材料制作的超表面吸收器具有与CMOS工艺兼容、隔热性能较好等优势,可直接应用于热载流子探测器中。本文基于超表面设计的理论基础和介质粒子中的Mie共振理论,设计了两种可应用于硅热载流子探测器的全介质超表面吸收器,分别实现了在近红外波段的双带和宽带吸收,并对它们进行了性能测试和原理分析,具体内容如下:1.设计并实验验证了一种近红外波段的双带超表面吸收器。为了增强器件吸收,对SOI顶层硅进行了重掺杂,并且制作了纳米孔超表面阵列。首先,使用FDTD数值仿真软件建立仿真模型,探究了纳米孔的半径、周期等各项参数对器件性能的影响,并且完成了超表面吸收器的加工制备。器件的测试结果显示,在1500-1600 nm波长范围内产生了两个吸收峰,它们对应波长λ=1526.1 nm和λ=1554.6 nm、吸收率分别为64.4%和38.6%,测试结果与仿真结果基本吻合。在分析器件的吸收原理时,使用多极子分解方法发现两个Mie共振模式中主要存在的是磁偶极子共振。2.设计了一种宽带近红外超表面吸收器。在对SOI顶层硅进行重掺杂之后,制作了椭圆形纳米孔超表面阵列。考虑到模式耦合对于器件吸收率的影响,在SOI底层硅和埋氧层之间添加了Bragg反射层。采用FDTD数值仿真软件进行结构参数设计,发现当垂直入射平面光的电场偏振方向沿椭圆孔长轴与短轴的角平分线时,能够产生由四个窄带吸收峰耦合得到的宽带吸收峰。仿真结果显示,耦合后的四个窄带峰的吸收率分别为78.3%、81.2%、80.7%、79.8%,在1555.36 nm的中心波长处得到一个半高全宽为40.12 nm的宽带吸收谱。

关键词： Mie共振超表面吸收器近红外全介质宽带吸收

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小像元微测辐射热计新型结构设计与性能研究

小像元微测辐射热计新型结构设计与性能研究

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作者：杨静华中科技大学

学位级别：硕士

随着大规模集成电路技术和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术的快速发展,基于MEMS技术的非制冷红外焦平面探测器在军民两用领域都得到了普及应用,并对器件各方面提出了更高的要求,包括器件的微型化、大阵列规模、... 详细信息

随着大规模集成电路技术和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术的快速发展,基于MEMS技术的非制冷红外焦平面探测器在军民两用领域都得到了普及应用,并对器件各方面提出了更高的要求,包括器件的微型化、大阵列规模、高分辨率、高灵敏度、快响应以及更低的成本。但是实现高灵敏快响应的小像元红外焦平面阵列,特别是像素间距10μm及以下的小像元非制冷微测辐射热计,无论是采用现有的单层结构还是双层结构,同时维持探测器的高灵敏度和短时间常数都是较大的挑战。本文针对像素周期为8μm的微测辐射热计单元设计了新型器件结构,即含有超表面吸收器的双层器件像元结构和含有天线耦合吸收器的单层器件像元结构,研究了它们的光学、热学、电学性能,为小像元微测辐射计器件结构提供了新的设计和发展思路。本文的具体工作内容如下:(1)设计了一种适用于小像元微测辐射热计的低热质量长波红外宽谱超表面吸收器,该吸收器由支撑在衬底全反射镜上的伞型氮化硅介质薄膜及沉积在介质层上的金属钛贴片阵列构成。采用电磁仿真软件FDTD优化后,在最佳结构参数下可实现长波红外8～14μm波段范围内98.3%的平均光吸收率,并且在±40°斜入射角内仍能保持90%以上的非偏振宽谱吸收特性。与传统多膜系吸收层相比,将器件热质量降低了近60%。探究了该吸收器的热质量减薄极限,找到了最佳贴片阵列数n=2、介质薄膜最佳穿孔直径d=0.75μm的结构参数,使穿孔超表面吸收器在保持96%的长波红外光吸收率的同时,将热质量再降低了28.8%,进一步提升了探测器的响应速度。(2)设计了超表面吸收器耦合双层微测辐射热计器件的完整像元结构。通过在第一层同时集成S型桥腿与热敏层、第二层制作与热敏层不互联的超表面吸收层,保留了桥腿最长、有效吸收面积最大两个优势,且热质量大幅度减轻。采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟了该器件的热电耦合特性及力学振动特性,结果表明,超表面吸收器耦合微测辐射热计器件可实现的NETD接近40 m K、热响应时间接近6ms的要求,器件在随机振动、冲击环境下也表现出良好的力学稳定性。(3)对超表面吸收器耦合微测辐射热计器件中的关键吸收结构进行了工艺制备与光学测试。最佳结构参数下吸收器的光吸收谱线实现了长波红外范围内的宽谱高吸收特性,平均光吸收率达到了87.5%,验证了该超表面伞型吸收器作为红外宽谱吸收膜集成到微测辐射热计中提升器件性能的可行性。(4)设计了一种纳米螺旋钛金属天线吸收器耦合单层微测辐射热计器件的像元结构。通过在同一层上制作热隔离支撑桥腿和螺旋式天线臂,代替传统的上吸收层和下热隔离层的双层微桥结构,简化了制备工艺。采用热隔离桥腿与螺旋式天线臂相间排布的方式,在增加微桥结构有效吸收面积的同时,提高了单个像素内微桥结构热隔离支撑腿的占比,还降低了桥面热质量。仿真结果显示,与典型的单层像元相比,天线耦合器件在最佳结构参数下可维持高效的宽谱红外高吸收,同时温度响应率提升了69.9%,比探测率提升了19.9%,时间常数可以低于3.5 ms。该项工作对于多维度提升小像元单层微测辐射热计性能、构建快响应器件具有积极的意义。本文所做工作验证了缩小像素间距后维持器件性能的几种解决方案的可行性,为构建高度小型化、大阵列格式、高灵敏度的红外焦平面阵列探测系统提供了思路和途径。

关键词：小像元非制冷微测辐射热计低热质量超表面吸收器红外焦平面阵列纳米天线

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