Плазмон-поляритонний фотодетектор для визначення концентрації домішок етанолу в газових сумішах

1. Плазмон-поляритонний фотодетектор для визначення концентрації домішок в газових сумі 3 39869 4 ни резонансної кривої і підвищення точності виник-золото з періодично-профільованою межею значення мінімуму При збереженні стабільності та поділу у вигляді дифракційної ґратки і нанесеної високої чутливості до зміни показника заломлення на шар золота селективно-чутливої плівки кадосліджуваної проби. лікс[4]резоциноларену [7] товщиною 40-100нм. Недоліком описаного детектора є громіздкість Оптимальне досягнення поставленої задачі оптичної схеми та необхідність використання дореалізується в фотодетекторі, що заявляється, даткової системи реєстрації відбитого променя, коли в якості напівпровідника в поверхневощо ускладнює реалізацію багатоканального вимібар'єрній гетероструктурі використано GaAs. рювання. Фіг.1 - демонструє робочу схему використання Найбільш близьким до сенсора, що заявляплазмон-поляритонного фотодетектора для виміється, можна вважати прилад для детектування та рювання концентрації досліджуваної речовини визначення малих концентрації газу, наприклад, (етанолу) у повітрі, де 1 - напівпровідник GaAs, 2 NO2, заснований на явищі збудження ППР в повеплазмон-несуча металева плівка (Аu), 3 - селектирхнево-бар'єрній гетероструктурі, описаний в статвно-чутли ва плівка калікс[4]резорциноларену, Ip ті [6]. Прилад містить ДГ на поверхні напівпровідвимірюваний фотострум, стрілкою вказано напрям ника (p-Si) з нанесеними профільованими повороту зразка для забезпечення зміни кута паметалевою (Au-Cr) і селективною плівками та діння р-поляризованого монохроматичного випроджерело р-поляризованого монохроматичного мінювання при скануванні по кутах. випромінювання. Принцип роботи датчика полягає На Фіг.2 - приведене типове зображення повеу вимірюванні фотострум у бар'єрної структури при рхні робочого елемента сенсора на основі ДГ, опромінюванні її поляризованим монохроматичзроблене на мікроскопі атомних сил (AFM). ним світлом, при зміні кута падіння (знімається Чутливий елемент плазмон-поляритонного резонансна крива ППР). Датчик представляє софотодетектора, що заявляється, (Фіг.1) є фо тобою гібридну схему на основі оптоелектронної приймачем на основі багатошарової поверхневопари, в якій ДГ виступає одночасно в якості прибар'єрної гетероструктури (типу бар'єру Шоткі ймача сигналу та чутливо го елементу датчика. (Аu/напівпровідник)), з нанесеними плазмон несуЗолота плівка, нанесена на напівпровідникову підчою плівкою золота та шаром селективнокладку є плазмон-несучим шаром та утворює бачутливого матеріалу, з мікропрофільованою мер'єр Шоткі. В якості селективної плівки використажею поділу метал/напівпровідник типу ДГ (Фіг.2). но плівку фталоціаніну 18-crown-6H2рс товщиною При опроміненні приладу світлом р-поляризації із 15нм, чутливу до двоокису азоту. Плівка наносипевними довжиною хвилі (l) та кутом падіння (Q), лася на поверхню зразків методом розчинення та що забезпечують виконання закону збереження центрифугування. імпульсу, на межі поділу плівка/метал збуджуютьПеретворювач параметрів оточуючого сереся ППП. Електромагнітне поле збуджуваного ППП довища в електронний сигнал в схемі оптоелектекспоненційно спадаючи, розповсюджується крізь ронної пари на основі резонансного перетворення товщу металу і досягає області просторового завипромінювання в ППП в структурі Шоткі може ряду в напівпровіднику, де генерує електроннобути використаний для ідентифікації компонент діркові пари, що розділяються електричним полем NO2 в газових сумішах. Для чого вимірюють кутову бар'єра Шоткі, генеруючи фотострум. На кутовій залежність фотовідгуку і по зміщенню та уширензалежності фотострум у спостерігається резонансню резонансу, внаслідок поглинання плівкою фтаний максимум (Фіг.3), пов'язаний із збудженням лоціаніну газу NO 2, визначають його концентрацію. ППП на межі поділу плівка/метал. При фіксованій До переваг представленої у прототипі схеми довжині хвилі, кутове положення резонансу фотоможна віднести її компактність, простоту конструкструму чітко визначається товщиною і показником ції та можливість суміщення з промисловими техзаломлення селективно-чутливої плівки канологіями опто- та мікроелектроніки. лікс[4]резоциноларену, які залежать від кількості До недоліків описаного приладу можна віднесабсорбованих на поверхні і в об'ємі селективноти відсутність чутливості сенсорної системи до чутливої плівки парів етанолу, що детектуються, а малих концентрацій етанолу в газових сумішах. значить від їх концентрації у газових сумішах Таким чином, аналіз наведених детекторів, (Фіг.4). Товщини 40-100нм селективно-чутливої робота яких основана на явищі збудження ППП, плівки калікс[4]резоциноларену визначалися з показав відсутність сенсорних систем простої конумов досягнення достатньої чутливості сенсорної струкції і невеликих габаритів для визначення масистеми до етанолу (Табл.1). лих концентрацій етанолу в газових сумішах. Використання для виготовлення фотодетектоВ основу корисної моделі, що заявляється, пору прямозонного напівпровідника GaAs із більшим кладено задачу створити плазмон-поляритонний коефіцієнтом поглинання, порівняно з Si, дозволяє фотодетектор чутливий до низьких концентрацій підвищити ефективність перетворення ППП у фоетанолу в газових сумішах при збереженні простотострум та використовувати більш довгохвильове ти конструкції та невеликих габаритів. світло (760нм) для підвищення ефективності переВирішення поставленої задачі досягається творення світла в ППП. тим, що плазмон-поляритонний фотодетектор для Крім того, для виготовлення ДГ на напівпровівизначення концентрації вмісту етанолу в газових дниковій підкладинці із GaAs можна застосовувати сумішах включає джерело р-поляризованого мометод фотоіндукованого інтерференційного травнохроматичного випромінювання і оптично пов'ялення напівпровідника [8], що не потребує викоризаний з ним чутливий елемент, який складається з стання маски, що здешевлює виробництво. При поверхнево-бар'єрної гетеростуктури напівпровідосвітленні поверхні напівпровідника інтерферен 5 39869 6 ційним зображенням ДГ у водному розчині кислопри кімнатній температурі. Абсорбції парів органіти, неосвітлені частини, на відміну від освітлених, чних розчинників на поверхні і в об'ємі селективноне витравлюються, формуючи таким чином гребечутливої плівки калікс[4]резорциноларену призвоні ДГ. Такий спосіб виготовлення ДГ має ще й педить, головним чином, до збільшення її товщини, а ревагу в тім, що ДГ має строго синусоїдальний також, в меншій мірі, до зміни її показника заломпрофіль, на відміну від способу травлення крізь лення. На Фіг.3 представлено типові криві відгуку маску, яке дає трапецеїдальну форму. Це призвофотодетектора при зміні концентрації етанолу в дить до зменшення кількості гармонік і енергія свіповітрі. Відношення кутового зсуву резонансу до тла перетворюється тільки в основну моду і не приросту концентрації етанолу на ділянці кривої 0використовується для генерації мод, пов'язаних з 40000ррm визначає чутливість плазмоніншими гармоніками. Таким чином ППP є більш поляритонного фотодетектору, що складає інтенсивний і гострий. 83000ррm/град. Таблиця 1 демонструє робочі хаРобота приладу полягає у знаходженні кута, рактеристики приладу. при якому збуджується ППП і досягається максиОтже, плазмон-поляритонний фотодетектор, мум фотоструму. Далі, за допомогою каліброваних що заявляється, чутливий до низьких концентразалежностей визначається концентрація парів цій етанолу в газових сумішах при збереженні етанолу. Методику вимірів можна організувати і простоти конструкції та невеликих габаритів. Крім іншим, спрощеним способом, зафіксувавши роботого, як і в прототипі, використовується один стручу точку на половині схилу піка фотоструму. ктурний елемент як для збудження ППР, так і для Таким чином, невелика зміна товщини селекйого реєстрації, що дозволяє суттєво спростити тивно-чутливої плівки калікс[4]резоциноларену, механічну систему сканування (якщо вона необвнаслідок зміни концентрації парів етанолу, прихідна). Компактність приладу, низька матеріалоємзведе до зміни фотоструму. Така зміна буде тим ність на одиницю продукції (наприклад, вміст зобільшою, чим вищий і гостріший пік ППР, що харалота) та принципова можливість виготовлення у ктеризується параметром поляризаційної чутливовеликих масштабах засобами мікроелектронної сті (Iр/Is) - відношенням фотоструму, збудженого промисловості дозволяє отримати низьку собіварсвітлом р - поляризації до фотоструму в s - полятість пристрою. Існує також можливість створення ризації. багатоканальної схеми вимірювання без введення Для ефективного збудження ППР чутлива плідодаткових реєструючи елементів та можливість вка має бути однорідною по площі. Нами вибраний використання системи в якості універсального метод Ленгмюра-Блоджет, що дозволяє створювапристрою з багатофункціональними сенсорними ти однорідні плівки контрольованої товщини (поспроможностями (оптохімічні сенсори, поляризахибка є меншою за товщину моношару ~1нм) поційно- або спектрально (кутово)- селективні фотослідовним нанесенням моношарів амфіфільних детектори). органічних сполук з поверхні води. На Фіг.3. - показані кутові залежності фотосигТаблиця 1 налу поляритонного фотодетектора, виміряні для різних концентрацій етанолу у повітрі: 1-0 ppm; 2Значення техніч40000 ppm; 3-80000 ppm. Температура повітря Найменування та одиниця вимі- них показників 27°С. Довжина хвилі опромінення 750нм. рювання розробленого На Фіг.4 - приведено залежність зсуву резонапристрою нсного кута (при якому спостерігається максимум Період ґратки, нм 750 фотосигналу) від концентрації етанолу у повітрі. Глибина ґратки, нм 55 Приклад конкретного виконання. Робочий метал Au Нами був вигото влений плазмонТовщина селективно-чутливої 51 поляритонний фотодетектор для визначення конплівки, нм центрації парів етанолу у повітрі, який комплектуТовщина металевої плівки, нм 30 ється чутливим елементом на основі поверхневоПоляризаційна чутливість, Ip/Is 2:1 бар'єрної структури з дифракційною граткою та Робоча довжина хвилі світла, 750 селективно-чутливою плівкою канм лікс[4]резорциноларену на поверхні, джерелом рКуто ва півширина максимума 4.5° поляризованого випромінювання (з довжиною резонансу, DQ хвилі l=750нм) та системою контролю концентраФоточутливість в максимумі 0.1 ції. Дифракційна гратка (період 750нм, глибина резонансу, A/W штри ха 55нм) на поверхні напівпровідника (GaAs) Чутливість (відношення кутово83000 формувалась методом фотоіндукованого інтерфего зсуву резонансу до приросту ренційного травлення. Омічний контакт сформоконцентрації етанолу у повітрі вано шляхом нанесення In на зворотну сторону на лінійній ділянці кривої 0підкладинки. Бар'єр Шоткі (Au/GaAs) формувався 40000ppm), ppm/град шляхом нанесення плівки золота (30нм) на періодично-профільовану поверхню напівпровідника методом термічного напилення у вакуумі на холодну підкладинку, тиск