【创新类】基于表面等离子体光热效应的宽谱段辐射探测技术研究-王佩祥-15级硕-初审-定稿.pdf

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1、华中科技大学研究生创新创业基地项目申请书项目名称：基于局域表面等离子体共振加热原理的新型探测器技术甲方：华中科技大学研究生创新创业基地乙方(项目负责人)：丙方(项目负责人导师)：项目完成时间：2016年12月30日签订日期：年月日华中科技大学研究生创新创业基地2015年10月制二项目经费预算（金额单位：万元）项目名称预算数备注（计算依据与说明）办公费0印刷费0.15打印或复印文献，发表论文1篇交通费0.03市内出差（外出测试和交流）差旅费0.25参加国内召开的学术会议（2人次）会议费0通信费0.08设备费0设备维修

2、费0材料费0.49购买衬底和靶材测试及加工费1.0器件制作工艺费，形貌和微观结构测试培训费0咨询费0其他0总计：2万元纵向课题资助经费863项目，20万与本项目相关的横向课题资助经费无其他经费来源其他经费来源合计20万三、项目申请书项目名称基于局域表面等离子体共振加热原理的新型探测器技术项目编号导电纳结构激发局域表面等离子体共振（LSPR）具有局部场增强和光热效应，在细胞探测和光热治疗等领域有大量研究报道。本项目拟将该原项理用于辐射探测，利用不同金属和导电化合物的纳结构在从UV至红外的目宽波段范围激发LSPR光热效

3、应，结合VOx材料的热敏电阻特性，构建新简型宽谱辐射探测器；通过采用COMSOL多物理场仿真模拟和工艺实验结合的方式探索导电材料种类、纳结构形状和尺寸以及纳结构与热敏材料的优介化热匹配方式，研究在单芯片上集成紫外-可见-红外辐射探测器的可行性和实现途径，为未来发展高性能光谱成像和宽波段成像探测器奠定技术基础。(一)项目背景光电探测器的物理效应通常分为光子效应和光热效应，对应的探测器分别称为光子型探测器和热型探测器。各种光子型探测器的共同特征是光子能量对探测材料中光电子的产生起直接作用，故光子型探测器具有截止响应频率

4、或波长，如硅探测器的长波截止波长为1.1微米，故只能用于探测可见光和近红外光。而热型探测器吸收辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，从而引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化，故光热效应与光子能量的大小没有直接关系，故热型探测器原则上对频率没有选择性，但是由于红外波段的光热效应相比可见光更明显，故通常用于红外辐射的探测。由于温度升高是热积累的作用，故基于光热效应的热探测器一般响应速度慢，且易于受环境温度影响。典型的热型探测器包括微测辐射热计型和

5、热释电探测器型等。光谱探测技术是利用物体或目标的光谱反射或发射信息的差异，借助光谱探测器对特定波段的光辐射响应，以实现对目标或物体的更好探测和快速识别的技术。光谱探测在多个光辐射波段均有广泛应用。如可见／近红外波段是太阳反射光谱区，在该波段探测地表物体的反射可以获取土壤类型、水体特性、植被分布及军事装备、军队部署等信息；中波红外波段可用于探测飞机尾喷气流、爆炸气体等高温物体的辐射光谱特征；长波红外波段则是实现昼夜战场侦查、监视，识别伪目标、消除背景干扰的主要工作波段，并且也是多种化学物质的特征吸收光谱所在区（或指纹

6、区），可用于大量的极性气体分子、有机化合物和生化战剂的探测。另外，紫外波段也是重要的军民两用波段，可用于燃烧、电晕、火焰探测等民用领域以及紫外制导和紫外预警等军用领域。上述的两类光电探测器通常都工作在一定的波段窗口，如紫外、可见光/近红外、中波红外(3~5μm)或长波红外(8~14μm)波段，但作为光谱探测器使用，还需要结合分光部件或滤波技术选择特定的波长来实现光谱探测。若用于多带探测，则需要几种探测器联合使用，少有能同时跨越多个波段的单一探测器。如此造成现有的多光谱或多带探测系统一般体积庞大且成本高。因此市场上急

7、需结构简单、体积小巧且成本低廉的光谱探测器。本项目提出一种新型的光谱探测原理及基于此原理的光谱探测器结构。新原理是基于导电纳结构的局域表面等离子体共振发热以及纳测辐射热探测元件的结合，构成对共振波长的高灵敏高速非致冷探测；通过选取合适导电材料、导电纳结构形状和尺寸以及覆盖介质，不仅可以调节不同的响应波段，而且在不同波段中实现多光谱响应的调节，因而可以实现在某波段内的多光谱探测，还可以实现多波段组合成宽波段的探测，突破传统热探测器只能探测红外波段的局限。项目的研究将为今后多光谱成像探测器和宽波段成像探测器的发展奠定基

8、础。(二)立项依据（1）局域表面等离子体共振及其光热效应当金属纳结构的尺寸小于入射光的波长时，入射光场驱动金属表面的传导自由电子集群运动，产生局域表面等离激元。这种集群振荡是局域在纳米结构附近，并可以直接激发。当入射光的频率与自由电子的本征频率一致时，会产生共振，集群振荡大幅增强，这就是所谓的局域表面等离子体共振（LSPR）。共振波长的位置与纳结构的形状、尺