ДЕТЕКТОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОДНОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФЕНА

Полезная модель относится к области создания детекторов инфракрасного (ИК) излучения.
Уровень техники
Из уровня техники известен европейский патент ЕР 1141669 В1, опубликованный 10.10.2001, описывающий инфракрасный болометр и метод для его изготовления. Недостатком решения является сложность изготовления детектора, требующего использования промежуточных слоев и травления, которое необходимо для создания требуемых структур. Болометры на основе аморфного кремния и болометры на основе оксида ванадия изготавливают с помощью стандартного CMOS-процесса (см. Allen, Phillip Е. Holberg, Douglas R.. (2012). CMOS Analog Circuit Design (3rd Edition) - 2.1 Basic MOS Semiconductor Fabrication Processes. Oxford University Press; J.-P. Colinge, «SOI CMOS Technology», в Silicon-on-lnsulator Technology: Materials to VLSI - 4, Springer US, 1997, cc. 105-122.), который предполагает последовательное нанесение и травление слоев. Процесс хорошо изучен, но является сложным и требует использования агрессивных химических сред.
1-x
x
1
2
В качестве прототипа выбирается решение по патенту РФ 2511275 «Наноструктурный ик-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения», опубликованный 27.01.2014, в котором описан детектор, включающий мембрану площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. ТЧЭ и ПЭЭ объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0<х<12). Покрытие максимально покрывает поверхность мембраны и включает полоску, которая отделена зазорами шириной I от остальной части покрытия за исключением концов полоски, соединенных с остальной частью покрытия. При этом покрытие разделено щелью на две части, электрически соединенными указанной полоской. Параметры болометра удовлетворяют следующим соотношениям: R/2Z<1, где R - удельное поверхностное сопротивление пленки,  Ом - импеданс свободного пространства;  где х - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, х - температуропроводность материала мембраны. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении удельной обнаружительной способности устройства. Недостатком решения является использование монокристаллического BiSb, выращивание которого - сложный и не до конца исследованный процесс (см. Brown, Dale М., Heumann, Fred К. Growth of Bismuth-Antimony Single-Crystal Alloys, Journal of Applied Physics, Volume 35, Issue 6, p. 1947-1951).
Техническая задача
Технической задачей является создание устойчивого к внешним механическим воздействия детектора для регистрации инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 1 до 28 мкм.
Технический результат - ИК-детектор, созданный на основе углеродных наноматериалов, сохраняющий детектирующую способность при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также при механических воздействиях (сгибание, растяжение).
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается детектор инфракрасного излучения, включающий подложку с отверстием, гибридную пленку, способную поглощать инфракрасное излучение, электрические контакты, отличающийся тем, что гибридная пленка включает однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ), восстановленный оксид графена (ВОГ) и хлорид золота (III).
Детектор может быть выполнен таким образом, что для соединения электрических контактов и гибридной пленки используется токопроводящая паста (например, серебряная).
Детектор может быть выполнен таким образом, что гибридная пленка имеет соотношение масс ОУНТ, ВОГ и хлорида золота (III) к массе всей пленки по существу 3,3%:1,06%:95,64%
Перечень фигур
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен детектор, и введены обозначения
1 - диэлектрическая подложка с отверстием,
2 - тонкая свободностоящая пленка из гибридного материала на основе ОУНТ и ВОГ,
3 - токопроводящая паста,
4 - электрические выводы.
На фиг. 2 представлен схематически лист графена и ВОГ.
3
На фиг. 3 представлены спектры пропускания для ОУНТ, гибрида ОУНТ/ВОГ и гибрида ОУНТ/ВОГ/АuСl
Детальное описание решения
Предлагаемое техническое решение позволяет регистрировать инфракрасное излучение в микрометровом диапазоне длин волн.
Основой детектора является диэлектрическая подложка (1) с отверстием. На подложку перенесена тонкая свободностоящая пленка (2) из гибридного материала на основе ОУНТ и ВОГ. Гибридный материал дополнительно допирован хлоридом золота (III). К пленке с помощью токопроводящей пасты (3) подсоединены электрические выводы (4).
3
Использование отверстия необходимо для правильного функционирования прибора, так как болометрический материал (гибрид ОУНТ/ВОГ/АuСl) должен быть свободновисящим для достижения его термоизоляция и лучшего проявления свойств.
При попадании ИК-излучения на пленку (2) происходит поглощение излучения и изменение электрического сопротивления гибридного материала в связи с его нагреванием, которое затем регистрируется считывающим устройством (микросхемой).
3
Гибридный материал состоит из ОУНТ, ВОГ и хлорида золота (III). ОУНТ состоят из атомов углерода и атомов железа. Используемые в полезной модели пленки ОУНТ содержат от 1 до 8 атомных процентов железа. ВОГ имеет следующий элементный состав: 66.5% С, 33.5% О. ВОГ схематически можно представить как лист графена с присоединенными кислородосодержащими функциональными группами (фиг. 2). Химическая формула хлорида золота (III) - AuCl.
Детектор практически прозрачен (пропускание около 85%) на длине волны 550 нм, которая является серединой видимого диапазона, то есть практически прозрачен для человеческого глаза. Преимуществами заявляемого решения по отношению к прототипу, описанному в уровне техники, являются малый вес (что важно с точки зрения миниатюризации электроники), несложный производственный процесс, а также использование материалов на основе легко доступного и недорогого углерода. К тому же материал предлагаемого детектора имеет низкое сопротивление и теоретически большую чувствительность и временной отклик.
Примеры
В лабораторных условиях и условиях единичного производства технологический процесс изготовления предлагаемого ИК-детектора может быть реализован из следующих операций:
1. Перенос пленки ОУНТ с нитроцеллюлозного фильтра на подложку (см. Kaskela, А., Nasibulin, A.G., Timmermans, М.Y., Aitchison, В., Papadimitratos, A., Tian, Y., Kauppinen, Е.I. (2010). Aerosol-synthesized SWCNT networks with tunable conductivity and transparency by a dry transfer technique. Nano Letters, 10(11), 4349-4355. http://doi.org/10.1021/nl101680s или Nasibulin, A.G., Kaskela, A.O., Mustonen, K., Anisimov, A.S., Ruiz, V.,  S., Rackauskas, S., Timmermans, M.Y., Pudas, M., Aitchison, В., Kauppinen, M., Brown, D.P., Okhotnikov, O.G., Kauppinen, E. I., Multifunctional freestanding single-walled carbon nanotube films, ACS Nano 5, 3214-3221 (2011).
2. Напыление водной дисперсии оксида графена на пленку ОУНТ.
3. Термическое восстановление оксида графена при температуре 300°С в течение 8 минут.
3
3
4. Допирование гибридного материала раствором AuCl в ацетонитриле (концентрация 15 ммоль/л) «капельным» (drop casting) методом (капля раствора AuCl наносится на гибридный материал с помощью дозатора). Процесс можно легко адаптировать к условиям серийного производства. Первый этап (перенос пленки ОУНТ) можно осуществить с помощью рулонной технологии (roll-to-roll). Допирование гибридного материала в условиях серийного производства может, как и нанесение оксида графена, производиться с помощью напыления.
Соотношение ОУНТ, ВОГ и хлорида золота (III) по массе приведено в таблице 1.
Используемые в полезной модели пленки ОУНТ имеют предел прочности при растяжении не менее 65 МПа (Wroblewski, G., Kielbasinski, К., Stapinski, Т., Jaglarz, J., Marszalek, К., Swatowska, В., … Jakubowska, M. (2015). Graphene Platelets as Morphology Tailoring Additive in Carbon Nanotube Transparent and Flexible Electrodes for Heating Applications, 2015).
Гибриды ОУНТ/ВОГ также являются гибкими, их поверхностное сопротивление практически не зависит от количества циклов сгибания и от угла сгибания (Hong, Т.-К., Lee, D.W., Choi, Н.J., Shin, Н.S., & Kim, B.-S. (2010). Transparent, flexible conducting hybrid multilayer thin films of multiwalled carbon nanotubes with graphene nanosheets. ACS Nano, 4(7), 3861-3868).
3
3
-1
Длина волны регистрируемого излучения определяется поглощением материала. Спектры пропускания для ОУНТ, гибрида ОУНТ/ВОГ и гибрида ОУНТ/ВОГ/АuСl приведены на фиг. 3. Из спектров видно, что наибольшим поглощением в ИК-диапазоне от 3333 до 357 см (что соответствует ширине от 3,0 до 28 мкм) обладает материал, описанный в данной полезной модели (ОУНТ/ВОГ/АuСl).