OE1022 锁相放大器与 OE3001 光学斩波器在 Ti 超表面集成 MCNO长波红外热探测器中的应用

Ti 超表面 MSM 热探测器的设计与原理

在MSM 结构中，MCNO 薄膜既作为热敏层，也作为与红外吸收相关的介质层；Pt 层作为底部电极，Ti 圆柱阵列作为顶部超表面结构（图 1a、b）。与额外引入独立吸收层的传统结构相比，该设计可减少吸收层与热敏层之间的热传导损失，同时降低器件总厚度。Ti 超表面的增强机理主要来自两个方面。首先，长波红外入射到 Ti 圆柱结构时会激发局域表面等离激元效应（LSP），使电磁场集中在金属微结构附近，从而提升 MCNO 层对红外辐射的吸收。其次，Ti 顶层与 Pt 底层之间形成光学干涉结构，使部分反射光发生相消干涉，进一步降低反射并增强吸收（图 1c、d）。研究团队通过FDTD 仿真优化了 MCNO 薄膜厚度、Ti 圆柱直径、周期和高度（图 1e–g）。最终确定的优化参数为：MCNO 厚度 400 nm，Ti 圆柱直径 2 μm，周期 3 μm，高度 150 nm。仿真结果表明，该结构在 9 μm 附近具有显著吸收增强效果，同时能够保持较薄的器件厚度。

图1.(a)探测器组成和(b)MSM 结构。(c)LSP 效应示意图和(d)干涉效应示意图。(e)不同 MCNO 薄膜厚度下 MCNO/Pt 结构的红外吸收率仿真结果。（f)Ti 结构高度为 150 nm 时，不同 Ti 结构直径和周期(D&P)下 MSM 结构的红外吸收率仿真结果。(g)Ti 结构直径和周期分别为 2 μm 和 3 μm 时，不同 Ti 结构高度下的红外吸收率仿真结果。

随后，研究团队通过微纳加工制备器件，流程包括MCNO 黏附层沉积、Pt 电极制备、MCNO 探测层沉积以及 Ti 超表面加工（图 2）。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线谱（EDS）测试结果表明，各功能层结构清晰，Ti 圆柱阵列排列完整，Mn、Co、Ni、Pt 和 Ti 元素分布均匀，说明器件结构制备较为可靠。

图2. 探测器制备流程：(a)MCNO 黏附层沉积；(b)Pt 电极层沉积；
(c)MCNO 探测层沉积；(d)Ti 超表面加工。
电学测试显示，与无Ti 层探测器相比，具有不同 Ti 结构直径和周期参数的 MSM 探测器同样表现出良好的线性响应，并保持基本线性特征（图 3a）。这说明 Pt 电极与 MCNO 薄膜之间形成了良好的欧姆接触。如图 3b 所示，器件在 0–90 ℃ 范围内呈现良好的负温度系数特性，室温下 TCR 约为 −3.82%/K，表明 MCNO 薄膜具有较高的热敏性能。

图3. 具有 Ti 层和不具有 Ti 层探测器的：(a)I–V 特性；(b)R–T 特性。

应用成果

在红外吸收（FT-IR）测试中，未引入 Ti 结构的参考器件在长波红外区域吸收能力较弱；引入 Ti 超表面后，器件吸收光谱得到明显增强并可实现调控（图 4）。当 Ti 圆柱直径为 2 μm、周期为 3 μm 时，器件在 8.7–12.1 μm 波段吸收率超过 80%，表现出良好的长波红外吸收能力。

图4. (a)FT-IR 测试区域。(b)具有不同 Ti 结构直径和周期，或不具有 Ti 结构的探测器在 7–15 μm 范围内的吸收率曲线。(c)–(e)对应的 SEM 图像。

图5. (a)黑体响应测试系统；(b)具有不同 Ti 结构直径和周期，或不具有 Ti 结构的探测器黑体响应率；(c)具有 Ti 结构和不具有 Ti 结构探测器的时间响应表征。
为评估探测器的实际响应性能，研究团队搭建了标准黑体响应测试系统（图5a）。该系统由黑体辐射源、源表、赛恩科仪 OE3001 光学斩波器和OE1022 锁相放大器组成。其中，OE3001 用于提供 1–20 Hz的调制频率，OE1022 用于检测探测器输出的微弱响应电压，从而计算黑体响应率。测试结果显示，优化后的Ti 超表面器件在 1 Hz 下黑体响应率达到 348.36 V/W，而无 Ti 结构参考器件为 156.06 V/W，响应率提升 123.22%（图 5b）。同时，Ti 超表面器件响应时间为 113.1 ms，与参考器件的 106.8 ms 接近（图 5c），说明该结构在显著提升响应率的同时，并未明显牺牲响应速度。

表1. 不同结构红外探测器性能对比

研究还将该器件与传统谐振腔结构和MIM 结构红外探测器进行对比。如表1所示，该 Ti/MCNO/Pt 的 MSM 结构兼具较高 TCR、较薄器件厚度、较宽长波红外吸收范围和较高黑体响应率，展现出在低频长波红外探测中的应用潜力。

总结

该研究提出了一种Ti 超表面集成 MCNO 的 MSM 结构长波红外热探测器，通过局域表面等离激元效应和干涉效应增强红外吸收，并利用 MCNO 薄膜的高热敏特性实现高响应率探测。该工作为高响应率、薄型化长波红外热探测器设计提供了新的结构思路。