片上集成纳米天线的窄带量子点光电探测器，助力红外气体传感应用

目前的研究中，基于表面等离子体共振（SPR）效应的纳米天线可以分别与热释电红外探测器和热电堆红外探测器进行片上集成。这种片上集成使得红外探测器能够实现窄带探测并应用于非色散红外（NDIR）气体传感器，这有助于实现NDIR气体传感器小型化及实现多组分气体传感。

据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学的科研团队提出并构建了一种片上集成纳米天线的量子点（QD）光电探测器，以进一步克服热探测器的局限性，例如相对缓慢的响应速度和较低的探测率。这项研究证明了集成纳米天线的窄带光电探测器在红外气体传感应用中的优势。这项研究成果以“Nanoantenna integrated narrowband photodetector for infrared gas sensing”为题发表在Sensors and Actuators: B. Chemical期刊上，通讯作者为刘欢教授。

该项目重点研究了硫化铅（PbS）胶体量子点（CQD），因为其对近红外光有很强的吸收性，并且易于与硅衬底集成。首先需要完成PbS量子点的合成，图1展示了PbS量子点合成和配体置换的过程。随后，研究人员利用微纳工艺实现了量子点与光学纳米天线的集成。这种片上集成光学纳米天线的PbS光电探测器的制备流程如图2所示。研究人员在PbS胶体量子点层上通过PECVD生长SiO2和电子束蒸发（EBE）生长金（Au）纳米盘，以形成金属-绝缘体-半导体（MIS）结构。

图1 （a）PbS量子点合成示意图，（b）配体置换步骤

图2 片上集成光学纳米天线的PbS量子点探测器的制备流程图

研究人员利用紫外光-可见光-近红外光吸收光谱（UV-Vis-NIR）测试研究了量子点的吸收特性，相关结果如图3a所示。随后，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）分析了量子点薄膜的表面形貌（如图3b和图3c）。从图中可以看出，利用电子束蒸发和电子束曝光等微纳制备工艺可以更高质量地制备Au纳米盘阵列。

图3 PbS胶体量子点薄膜的结构表征

窄带光电探测器的性能主要取决于两个参数：中心波长处的响应度和半峰全宽（FWHM）。利用纳米天线，可以同时改善这两个参数。在可见光和近红外光范围内，纳米天线已被证明可以提高光电探测器的光谱选择性。利用纳米天线可以实现窄带光电探测器。在制备了片上集成光学纳米天线的PbS量子点光电探测器之后，研究人员使用经典的NDIR测试系统进行气体传感性能测试。图4a展示了NDIR测试系统，该系统由宽带光源、准直透镜、气室、片上集成光学天线的PbS量子点光电探测器和数字源表（Source Meter）组成。

图4 （a）NDIR测试系统，（b）片上集成光学纳米天线的PbS量子点探测器

接着，研究人员对PbS量子点探测器与片上集成光学纳米天线的PbS量子点探测器的光电性能进行了测试和比较，相关结果如图5所示。结果表明，片上集成光学纳米天线的PbS量子点探测器具有更高的比探测率和更窄的半高全宽。

图5 PbS量子点探测器与片上集成光学纳米天线的PbS量子点探测器的光电性能比较

最后，研究人员通过NDIR系统对不同浓度的NH3和CH4进行了测试。结果表明，具有集成光学天线的PbS量子点探测器无需在探测器前放置滤光片，可以实现更低浓度的气体检测。

综上所述，这项研究提出并制备了一种片上集成纳米天线的PbS量子点光电探测器，并将其应用于气体传感研究。这种片上集成纳米天线的PbS量子点探测器在约1300 nm的峰值波长处实现窄带光学响应，与未集成纳米天线的探测器相比，其响应度提高了44%。基于片上集成纳米天线的窄带光电探测器的NDIR气体传感应用研究表明，在无需额外窄带滤光片的情况下，就能获得对特定气体（如CH4和NH3）的选择性，并且由于在特定波长处的光响应较高，从而实现较低的检测限。通过设计工艺协同优化和迭代，可以实现对目标气体特征吸收峰的精准匹配。这项研究证明了片上集成纳米天线的窄带量子点光电探测器在红外气体传感应用的优势。因此，将纳米天线集成到中红外探测器中并将其应用于气体探测，展示出极具前景和前瞻性的潜力。

来源：MEMS