×
27.11.2019
219.017.e6ec

Инфракрасный детектор и способ его изготовления

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники и касается инфракрасного детектора ИК-диапазона. Инфракрасный детектор включает в себя активный слой, содержащий коллоидные квантовые точки и плазмонные наноантенны, расположенные между встречно-штыревыми электродами. При этом при детектировании излучения используется поверхностно-усиленное поглощение в ИК-области спектра. Технический результат заключается в увеличении сечения поглощения и повышении стабильности детектора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Предлагается принципиально новой тип сенсоров (детекторов) на инфракрасный (ИК) диапазон, использующий уникальные возможности коллоидных квантовых точек и эффекта SEIRA (Surface Enhanced InfraRed Absorption - поверхностно-усиленное поглощение в ИК-области спектра) [1, 2]. Отличительной особенностью предлагаемых ИК-детекторов являются: метод их создания с помощью двухфотонной фотополимеризации в сочетании с дополнительным лазером, подавляющим эффект фотополимеризации, и повышение чувствительности вследствие эффектов связанных с плазмонными наноантеннами. Метод прямого лазерного письма (Direct Laser Writing -DLW) [3,4,5] дополняется лазерным стимулированным избирательным тушением (STimulated Laser Depletion- STED [6, 7, 8]), что приводит к существенному уменьшению активной зоны фотополимеризации, и следовательно, к радикальному увеличению пространственного разрешения литографии (до 50 нм [9]). Дальнейшая металлизация и удаления «лишнего» фоторезиста позволяет создать плазмонные нано антенны высоко качества и без использования дорогостоящего оборудования. Использование эффекта SEIRA (Surface Enhanced InfraRed Absorption - поверхностно-усиленное поглощение в ИК-области спектра) дает возможность значительно увеличить чувствительность сенсоров (детекторов) на инфракрасный (ИК) диапазон.

Актуальность задач ИК-диагностики в первую очередь связана с космической диагностикой техносферы, в частности, техногенными катастрофами. В этой связи разработка новых эффективных детекторов (сенсоров) дистанционного инфракрасного (ИК) зондирования для диагностики состояния объектов техносферы, таких как магистральные и производственные трубопроводы; хранилища углеводородного сырья, а также жидких и твердых отходов; железные и шоссейные дороги, дамбы, плотины и др. представляется современной и актуальной проблемой.

Патентный документ US 7041978 B2 (прототип), содержит информацию о ИК-детекторе на КТ, где КТ позиционируются на заранее подготовленных проводящих площадках. Данные площадки позволяют увеличить квантовый выход КТ и существенно уменьшить эффект взаимовлияния КТ. В представляемом данным документе изобретении площадки представлены полупроводниковым материалом на подложке, покрытым тонким слоем слабо поглощающего в ИК области химически стабильного проводникового материала. Авторами документа предлагается использовать МСТ КТ для позиционирования на площадку, но по необходимости могут быть использованы КТ другого типа. Геометрия устройства проектируется в зависимости от ожидаемых фотовольтаических свойств.

Данный прототип обладает множеством существенных преимуществ, таких как работа вблизи комнатных температур и возможность, не изменяя концепции устройства проектировать устройства с заданными фотовольтаическими свойствами. Существенным недостатком является сложность изготовления представляемого устройства. Важные элементы устройства требуют высокоточного позиционирования КТ на подготовленные площадки, что существенно увеличивает время создания устройства. Также необходимо создание условий увеличения адгезии КТ к площадкам, для увеличения времени работы устройства. Названные недостатки существенно ограничивают масштабируемость предложенного изобретения и делает недоступным для использования его на потребительском рынке.

В заявляемом устройстве предлагается эффективно использовать синергизм двух новых подходов к проблеме детектирования (сенсорики) ИК-излучения в среднем диапазоне длин волн (3-5 мкм): использование оптических приемных наноантенн и коллоидных квантовых точек HgTe.

Приемная наноантенна предназначена для эффективного возбуждения квантовых детекторов (например, коллоидных квантовых точек HgTe) излучения, которые будучи чрезвычайно малыми (порядка 10 нм) по сравнению длиной волны, потребляют из падающего излучения очень малую мощность. Т.е. создавая в области детектора сильно локализованное поле, наноантенна способствует существенному росту детектируемой мощности. Важно отметить, что приемная наноантенна обладает направленностью (фиг.

В оптической области частот квантовые детекторы (в нашем случае коллоидные квантовые точки HgTe) имеют субволновые пространственные размеры и естественно характеризуются малым сечением поглощения σ, т.е. величиной равной отношению поглощенной квантовой точкой мощности Рехс к интенсивности I падающего излучения:

σ(ϑ,φ,npol)=Рехс/I,

где npol - направление поляризации падающего поля Е.

В случае детектора, который можно описать в дипольном приближении, сечение поглощения можно записать в виде [10]

σ=σ0 (nрЕ)2/(nрЕ0)2,

где σ0 - сечение поглощения в отсутствии наноантенны, np - ориентация поглощающего диполя, а Е и Е0 соответственно поля в точке расположения квантовой точки в случае наличия и отсутствия наноантенны.

Так как наноантенна усиливает ближнее поле в некоторой области пространства, то сечение поглощения квантовой точки в этой области будет также увеличено. Экспериментально продемонстрировано увеличение сечения поглощения в 104 - 106 раз [11].

С другой стороны, недавно разработаны схемы синтеза коллоидных квантовых точек HgTe обладающие значительным фототоком при поглощении в среднем ИК-диапазоне [12]

Нормированные спектры фототока для трех размеров коллоидных квантовых точек HgTe при гелиевых (штриховые линии) и комнатной (сплошные линии) температурах представлены на фиг. 2. Размер 5 нм - голубая линия, 8 нм - зеленая, 12 нм - красная.

Задачей, решаемой изобретением, является создание стабильных ИК-детекторов (сенсорики) ИК-излучения в среднем диапазоне длин волн (3-5 мкм): использование оптических приемных наноантенн и коллоидных квантовых точек HgTe.

Поставленная в заявке задача решается следующим образом.

В предполагаемом изобретении использована простейшая схема ИК-детектора, представленная на фиг. 3.

На прозрачную подложку (1) (ИК-прозрачный диэлектрик, стекло либо полимерную пленку (например, PET) наносятся встречно-штыревые электроды (2) методом двухфотонной фотополимеризации DLW-STED, с последующей металлизацией, например из золота (Аи). Одновременно методом DLW-STED наносятся наноантенны («штрихи»(3)), также подвергающиеся металлизации. Затем на структуру с помощью метода spin-coating'а (центрифугирования) наносится слой органического материала (органическая матрица) (например, PVK) с внедренными в полупроводниковыми наночастицами квантовыми точками - нанокристаллами (4).

В заявляемом устройстве предлагается эффективно использовать «горячие» носители заряда до того момента пока они не релаксируют благодаря фононам. Имеется два пути использования «горячих» носителей заряда для увеличения эффективности преобразования фотонов. Один путь - увеличение фотоЭДС, другой - увеличение фототока. Для реализации первого пути необходимо экстрагировать носители заряда из фотоконвертера до их «остывания» [13]. Второй путь требует получения двух (и более) электрон-дырочных пар посредством ударной ионизации [14]. Необходимым условием, является превышение скорости ударной ионизации (обратный Оже-эффект) на скоростью «остывания» носителей заряда и других релаксационных процессов.

Релаксационная динамика существенно меняется в квантоворазмерных объектах (квантовых точках, квантовых проводах и других наноструктурах) в которых носители заряда ограничены потенциальными барьерами в объемах, из-за того, что де бройлевская длина волны света сравнима с боровским радиусом экситона. Скорость «остывания» носителей заряда может быть существенно уменьшена и скорость ударной ионизации сравнима со скоростью «остывания».

В заявляемом устройстве предлагается использовать наноразмерные объекты -коллоидные квантовые точки типа HgTe и металлические наноантенны для использования эффекта SEIRA. На фиг. 4 представлено изображение коллоидной квантовой точки HgTe с лигандной оболочкой.

Предлагается использовать синтезированные методом коллоидной химии [15] полупроводниковые наночастицы. Полученные наночастицы должны быть покрыты поверхностно активным веществом (например, tri-n-octylphospine oxide - ТОРО) для предотвращения агрегации.

Квантовые точки HgTe средним размером 3-4,5 нм и степенью монодисперсности 5-10% синтезируются интервале температур роста 120-240°С. Спектроскопия поглощения дает информацию об изменении размера и концентрации квантовых точек в ходе синтеза. Возможна оценка (52 кДж/моль) энергии активации зародышеобразования для интервала температур 160-240°С. Константа скорости роста, расчитанная в рамках кинетической модели роста, варьируется в диапазоне 0.9-2.7 нм/с для температур 160-240°С.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:

1. стабильностью, обусловленную использованием в качестве ИК-излучения полупроводниковых наночастиц (квантовых точек), не подверженных действию атмосферы [17]

2. благодаря эффекту SEIRA сечение поглощения коллоидных квантовых точек увеличивается на 104 - 106 [2, 18]

3. возможностью регулирования спектра поглощения [19]

Для создания детектирующих структур, в частности оптических наноантенн, необходимо использование современных и дешевых технологий нанофотолитографии. Предложенный авторами Заявки в 2012 г метод STED-нанолитографии представляется перспективным дополнением к существующим аддитивным технологиям в области фотонных устройств для получения 3D, 2.5D и 2D структур.[20]

Авторы развили идеи так называемой STED-наноскопии. В 2014 Стефан Хэлл [S.Hell] получил нобелевскую премию за использование метода обеднения (уровней) при вынужденном излучении (STED) для микроскопии, позволяющей преодолеть предел Аббе и получить пространственное разрешение менее 50 нм. [6].

Пример исполнения

На прозрачную в ИК-области подложку 1 (Si, Слюда, CaF2, KBr, LiF) наносятся методом литографии структура встречно-штыревых электродов 2, выполненных проводящим материалом. Характерные размеры встречно-штыревой структуры определяются размерами необходимой фоточувствительной области (от 50 мкм и вплоть до всей поверхности подложки) расстояние между электродами лежит в диапазоне значений от 10 мкм до 100 мкм. В качестве метода литографии для встречно штыревых структур используется УФ фотолитография в проекционном режиме для создания шаблона и последующая металлизация за счет электрохимического осаждения металла на поверхности проводящей подложки. Для непроводящих подложек используется металлизация шаблона с помощью метода "взрывной" литографии. Данным предложением создание встречно штыревой структуры не ограничивается.

Главной особенностью изобретения является массив плазмонных наноантенн 3. Характерные параметры: высота - 10-500 нм; ширина 50-300 нм; длина 0,5-10 мкм; латеральный период - 0,1-20 мкм. В качестве метода создания массива 3 рассматривается два подхода. Описание первого может быть представлено в виде следующей последовательности операций: 1) нанесение на подложку тонкого слоя плазмонного материала (золото, серебро, медь, алюминий или другой металл) - 10-500 нм методом термического вакуумного напыления; 2) нанесение фоторезиста, подходящего для STED-фотолитографии; 3) создание позитивного шаблона плазмонных антенн (полимерных антенн) методом STED-фотолитографии; 4) удаление незасвеченного фоторезиста; 5) плазменное травление. Размеры полимерных антенн шаблона подбираются в зависимости от скорости травления металла и полимера. Описание второго способа: 1) нанесение фоторезиста, подходящего для STED-фотолитографии; 2) создание позитивного шаблона плазмонных антенн (полимерных антен) методом STED-фотолитографии; 3) удаление фоторезиста; 4) каталитическое восстановление металла на поверхности шаблона.

Полученный массив плазмонных антенн отличается по свойствам, но за счет возможности варьирования геометрических параметров с высокой точностью (латеральное разрешение 50 нм, точность позиционирования определяется блоком перемещения и для пьезоподачи с обратной связью составляет вплоть до единиц нанометров), можно получить антенны с одинаковыми оптическими свойствами.

Последним этапом на подготовленную подложку со встречно штыревой структурой и массивом плазмонных антенн наноситься с помощье метода spin-coating слой HgTe коллоидных КТ 4, стабилизировнных в органической матрице (например, PVK). Размер КТ задается с учетом необходимой длины волны регистрацией детектора, и может меняться в пределах от 3 нм до 50 нм.

Источники информации.

1. Hartstein A., Kirtley J. R., Tsang J. С.Enhancement of the infrared absorption from molecular monolayers with thin metal overlayers // Physical Review Letters. - 1980. - T. 45. - №.3. - C. 201.

2. Neubrech F. et al. Surface-enhanced infrared spectroscopy using resonant nanoantennas // Chemical reviews. - 2017. - Т. 117. - №.7. - C. 5110-5145.

3. Pao Y.H., Rentzepis P.M. Laser-Induced Production of Free Radicals in Organic Compounds // Applied Physics Letters. - 1965. - T. 6. - №.5. - C. 93-95.

4. Sun H.В., Kawata S. Two-photon photopolymerization and 3D lithographic microfabrication // NMR• 3D Analysis• Photopolymerization. - Springer Berlin Heidelberg, 2004. - C. 169-273.

5. Braun A., Maier S.A. Versatile direct laser writing lithography technique for surface enhanced infrared spectroscopy sensors // ACS Sensors. - 2016. - Т. 1. - №.9. - C. 1155-1162.

6. Hell S.W., Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy // Optics letters. - 1994. - T. 19. - №.11. - C. 780-782.

7. Hell S.W. Strategy for far-field optical imaging and writing without diffraction limit // Physics Letters A. - 2004. - T. 326. - №.1. - C. 140-145.

8. Fischer J., Wegener M. Three-dimensional direct laser writing inspired by stimulated-emission-depletion microscopy // Optical Materials Express. - 2011. - Т. 1. - №.4. - C. 614-624.

9. Wollhofen R. et al. 120 nm resolution and 55 nm structure size in STED-lithography // Optics express. - 2013. - T. 21. - №.9. - C. 10831-10840.

10. Bharadwaj P, Deutsch B, Novotny L Adv. Opt. Photon. 1 (2009) 438

11. Novotny L, Bian R X, Xie X S Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 645; Xu H et al. Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 4357; Li K, Stockman M I, Bergman D J Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 227402

12. E. Lhuillier, S. Keuleyan, P.Guyot-Sionnest Nanotechnology 23 (2012) 175705

13. R.T. Ross and A.J. Nozik, J. Appl. Phys. 53 (1982)3813.

14. P.T. Landsberg, H. Nussbaumer, and G. Willeke, J. Appl. Phys. 74 (1993) 1451.

15. C.B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc, 115(1993)8706

16. C.B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 115(1993)8706

17. M.I. Baraton. Synthesis, Functionalization, and Surface Treatment of Nanoparticles. Am. Sci., Los-Angeles, 2002

18. Li K, Stockman M I, Bergman D J Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 227402

19. JI.E. Воробьев, E Л Ивченко, Д А Фирсов, В А Шалыгин, Оптические свойства наноструктур С-Пб Наука 2001

20. Д.А. Глубоков, В.В. Сычев, А.Г. Витухновский, И.В. Тайдаков, Способ изготовления резистивных масок для нанолитографии (патент RU 2510632)


Инфракрасный детектор и способ его изготовления
Инфракрасный детектор и способ его изготовления
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 33.
14.05.2019
№219.017.51ea

Низкочастотная двухкомпонентная донная сейсмическая коса

Изобретение относится к сейсмическим регистрирующим системам и может быть использовано при поисках и разведке углеводородов, а также мониторинге нефтегазовых месторождений. В частности, техническое решение относится к двухкомпонентным сейсмическим системам, основанным на одновременном измерении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002687297
Дата охранного документа: 13.05.2019
24.05.2019
№219.017.5f13

Газочувствительный композит и способ его изготовления

Группа изобретений относится к электронике и предназначена для получения газочувствительного материала, используемого в устройствах, преобразующих концентрацию детектируемого примесного газа в воздухе в электрический сигнал. Газочувствительный композит содержит непроводящую волокнистую матрицу...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002688742
Дата охранного документа: 22.05.2019
06.07.2019
№219.017.a70f

Генератор для получения наночастиц в импульсно-периодическом газовом разряде

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к генератору для получения наночастиц в импульсно-периодическом разряде. Генератор содержит разрядную камеру (4) с каналом входа газа (11) и каналом выхода газа (12) с аэрозольными частицами. Два изолированных электрода (1), (2) из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002693734
Дата охранного документа: 04.07.2019
17.07.2019
№219.017.b559

Способ сольвентной деасфальтизации тяжелого нефтяного сырья и растворитель для реализации способа

Изобретение относится к области нефтепереработки и, в частности, к процессам сольвентной деасфальтизации (СДА) тяжелых нефтей, природных битумов и тяжелых нефтяных остатков. Описан способ сольвентной деасфальтизации тяжелого нефтяного сырья, в соответствии с которым процесс осадительной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002694533
Дата охранного документа: 16.07.2019
27.07.2019
№219.017.b9d2

Способ определения усредненного вектора скорости ветра с помощью беспилотного летательного аппарата

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности метеорологии, и может быть использовано для определения направления и скорости ветра в вертикальном разрезе. В интересующую область пространства запускают беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с возможностью измерения скорости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002695698
Дата охранного документа: 25.07.2019
01.08.2019
№219.017.bb30

Глубоководный гидрофон

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к прямому измерению параметров волн сжатия - разряжения, распространяющихся в жидких и газообразных средах, которые могут характеризоваться повышенным относительно нормальных условий статическим давлением в среде. Изобретение может...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696060
Дата охранного документа: 30.07.2019
02.08.2019
№219.017.bb70

Способ реконфигурируемой фильтрации для понижения пик-фактора ofdm-сигналов и устройство для его реализации

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и используется в передающих устройствах беспроводных систем передачи с OFDM-модуляцией. Технический результат состоит в увеличении эффективности системы путем снижения пик-фактора OFDM-сигнала при допустимом уровне внутриполосного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696092
Дата охранного документа: 31.07.2019
16.08.2019
№219.017.c047

Использование сигнальных пептидов митохондриальной локализации для увеличения уровня гетерологической экспрессии белков в p.pastoris и s.cerevisiae

Настоящее изобретение относится к области биотехнологии и молекулярной биологии. Описаны сигнальные пептиды митохондриальной локализации (последовательности представлены в табл. 1: SEQ ID 1, SEQ ID 2, SEQ ID 3, SEQ ID 4, SEQ ID 5, SEQ ID 6, SEQ ID 7, SEQ ID 8, SEQ ID 9, SEQ ID 10). При...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697218
Дата охранного документа: 13.08.2019
01.09.2019
№219.017.c55a

Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам преобразования механического движения в электрический сигнал. Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью состоит из двух камер, заполненных проводящей жидкостью и разделенных мембраной. В одной из камер находится...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002698527
Дата охранного документа: 28.08.2019
19.10.2019
№219.017.d83c

Способ моделирования отморожения кожных покровов в гипоксических условиях

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной биологии, и может быть использовано для моделирования отморожения кожных покровов экспериментальных животных в гипоксических условиях. Создают контактную модель отморожения кожи с применением жидкого азота. Охлаждению жидким азотом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002703473
Дата охранного документа: 17.10.2019
Показаны записи 1-7 из 7.
20.06.2013
№216.012.4c7c

Люминесцирующие анионные комплексные соединения редкоземельных элементов со фторированными пиразолсодержащими 1,3-дикетонами и способ их получения

Изобретение относится к новым комплексным соединениям редкоземельных элементов, которые могут быть использованы в качестве активных слоев органических светоизлучающих диодов, оптико-электронных устройств, а также флуоресцентных меток и маркеров. Предложено люминесцирующее анионное комплексное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485162
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4c7d

Люминесцирующие комлексные соединения редкоземельных элементов с пиразолсодержащими фторированными 1,3-дикетонами и способ их получения

Изобретение относится к новым комплексным соединениям редкоземельных элементов, которые могут быть использованы в качестве активных слоев органических светоизлучающих диодов, оптико-электронных устройств, а также флуоресцентных меток и маркеров. Предложено люминесцирующее комплексное соединение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485163
Дата охранного документа: 20.06.2013
10.02.2014
№216.012.9fff

Квантово-точечный светоизлучающий органический диод

Изобретение может быть использовано при создании эффективных устройств для отображения алфавитно-цифровой и графической информации. Актуальность создания алфавитно-цифровых дисплеев нового поколения обусловлена растущим потоком визуальной информации и прогрессом в компьютерной технике....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506667
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.04.2014
№216.012.af75

Способ изготовления резистивных масок для нанолитографии

Изобретение относится к области фотолитографии, а именно к способу изготовления резистивных масок для нанолитографии. Способ включает восстановление серебра с образованием наночастиц серебра и последующую стимуляцию процесса термической полимеризации капролактама на поверхности полученных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510632
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.05.2018
№218.016.411c

Способ определения параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике

Изобретение относится к физике полупроводников. Его применение при определении параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике позволяет исследовать каскадно возбуждаемый тип ловушек в более широком классе полупроводниковых материалов, начиная с кристаллических и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649065
Дата охранного документа: 29.03.2018
10.05.2018
№218.016.4861

Композитный геттерный материал на основе цеолита и способ его получения

Изобретение относится к геттерным материалам для светоизлучающих устройств. Композитный геттерный материал предназначен для удаления паров воды и остаточного кислорода. Согласно изобретению поверхность цеолита типа А4 покрывается жидким сплавом калий-натрий с содержанием калия от 40 до 90 мас....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002651174
Дата охранного документа: 18.04.2018
29.03.2019
№219.016.f22b

Элемент троичной логики

Изобретение относится к области физики полупроводников, в частности к полупроводниковым наноструктурам, и может быть использовано при создании высокоэффективных компьютеров, использующих троичную логику. Сущность изобретения: в элементе троичной логики на основе нанотетрапода халькогенида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002388111
Дата охранного документа: 27.04.2010
+ добавить свой РИД