热电式位敏探测器

[color=#000000]近日，大连化物所催化基础国家重点实验室热电材料与器件研究组（525组）姜鹏研究员、陆晓伟副研究员、包信和院士团队开发了柔性、可穿戴长波红外光热电探测器，并将其用于电子皮肤非接触温度感知。[/color][color=#000000]仿生触觉是智能机器人感知外部环境刺激的基础。在传统触觉系统中，触觉传感器需要与外部环境物理接触进而获取温度信息，无法在接触前对外部刺激作出预判。因此，发展具有非接触温度感知能力的先进触觉传感技术，将有助于为机器人交互感知领域带来全新的体验。[/color][align=center][img]https://img1.17img.cn/17img/images/202404/uepic/d9f98d30-33d3-4a5f-ae64-7284b6ef766d.jpg[/img][/align][color=#000000]光热电探测器是基于光热、热电两个能量转换过程，可在无需制冷、无需偏置电压、无接触的条件下实现对长波红外辐射（8至14μm）的灵敏探测。本工作中，研究团队在前期光热电探测器工作（[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]Adv. [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b]M [/b][/i][/url][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204355][i][b][color=#0070c0]ater. [/color][color=#0070c0][/color][/b][/i][/url][color=#000000]，2022；[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902044][i][b]Adv. Mater [/b][/i][/url][color=#0070c0][i][b].[/b][/i][/color][color=#000000]，2019；[/color][url=https://www.nature.com/articles/s41467-018-07860-0][i][b]Nat. Commun. [/b][/i][/url][color=#000000]，2019）的基础上，在具有长波红外吸收能力的柔性聚酰亚胺（PI）衬底上构建了Te/CuTe热电异质结，制备出高灵敏度、柔性、可穿戴长波红外光热电探测器。Te/CuTe热电异质结一方面可以提升复合薄膜的热电功率因子，起到降低器件噪音的作用；另一方面可以通过降低其光学反射损耗，并将其光学反射极小值与PI吸收峰对齐，增强光热电耦合，提升器件灵敏度。[/color][color=#000000]在非接触式温度感知测试中，当目标温度从零下50°C上升至110°C，所制备的柔性光热电探测器灵敏度均优于商业刚性热电堆，温度分辨能力可达0.05°C。以此为基础，研究团队利用该红外探测器在接近辐射源过程中响应电压的斜率变化，开发了动态温度预警系统，使得软体机械手可对热源进行预先判定。该工作为在仿生触觉系统中引入红外探测技术提供了可行的解决方案，在机器人交互感知、虚拟现实等领域具有重要的应用前景。[/color][color=#000000]相关研究成果以“[b]Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”[/b]为题，发表在[b]《先进材料》[/b][i]（Advanced Materials）[/i]上。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金、大连化物所创新基金等项目的资助。（文/图 郭晓晗、陆晓伟）[/color][color=#000000]文章链接：[/color][url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911][b]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313911[/b][/url][来源： 中国科学院大连化物所][align=right][/align]

[size=4] photoconductive detector 利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。 1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。 工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得 λc＝1.24/Ei 式中Ei代表杂质能级的离化能。到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变，例如x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。②本征吸收系数大,样品尺寸小。③易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。 通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等 在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等 在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。 可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。 器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ，它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10％计算τ的 各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。 红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米瓦-1赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米瓦-1赫 ③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米瓦-1赫以上。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。 红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。[/size]

中国科技网讯 据物理学家组织网6月4日报道，美国马里兰大学纳米物理和先进材料中心的研究人员开发出一种新型热电子辐射热测量计，这种红外光敏探测器能广泛应用于生化武器的远距离探测、机场安检扫描仪等安全成像技术领域，并促进对于宇宙结构的研究等。相关研究报告发表在6月3日出版的《自然·纳米技术》杂志上。 科学家利用双层石墨烯研发了这款辐射热测量计。石墨烯具有完全零能耗的带隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特别是能量极低的光子，如太赫兹或红外及亚毫米波等。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。光子带隙结构能使某些波段的电磁波完全不能在其中传播，于是在频谱上形成带隙。 而石墨烯的另一特性也使其十分适合作为光子吸收器：吸收能量的电子仍能保持自身的高效，不会因为材料原子的振动而损失能量。同时，这一特性还使得石墨烯具有极低的电阻。研究人员正是基于石墨烯的这两种特性设计出了热电子辐射热测量计，它能通过测量电阻的变化而工作，这种变化是由电子吸光之后自身变热所致。 通常来说，石墨烯的电阻几乎不受温度的影响，并不适用于辐射热测量计。因此研究人员采用了一种特别的技巧：当双层石墨烯暴露于电场时，其具有一个大小适中的带隙，既可将电阻和温度联系起来，又可保持其吸收低能量红外光子的能力。 研究人员发现，在5开氏度的情况下，新型辐射热测量计可达到与现有辐射热测量计同等的灵敏度，但速度可增快1000多倍。他们推测其可在更低的温度下，超越目前所有的探测技术。 新装置作为快速、敏感、低噪声的亚毫米波探测器尤具前景。亚毫米波的光子由相对凉爽的星际分子所发出，因此很难被探测到。通过观察这些星际分子云，天文学家能够研究恒星和星系形成的早期阶段。而敏感的亚毫米波探测器能帮助构建新的天文台，确定十分遥远的年轻星系的红移和质量，从而推进有关暗能量和宇宙结构发展的研究。 虽然一些挑战仍然存在，比如双层石墨烯只能吸收很少部分的入射光，这使得新型辐射热测量计要比使用其他材料的类似设备具备更高的电阻，因而很难在高频下正常工作，但研究人员称，他们正在努力改进自身的设计以克服上述困难，其亦对石墨烯作为光电探测材料的光明前景抱有极大信心。（张巍巍） 《科技日报》（2012-06-06 二版）