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《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》 2016年
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Mn-Co-Ni-O薄膜及非制冷红外探测器研究

欧阳程  
【摘要】:尖晶石结构的Mn-Co-Ni-O氧化物是一种过渡金属氧化物材料,具有优良的电阻温度系数,在热敏红外探测、温度传感、航天遥感探测等领域有着广泛应用,它们对高性能的Mn-Co-Ni-O材料和器件提出了更高的要求。响应速度快、灵敏度高、焦平面阵列器件是目前非制冷红外探测器的主要发展方向。本论文基于化学溶液制备的Mn-Co-Ni-O薄膜材料,对薄膜器件的研制工艺、器件性能和红外热成像实验等展开了研究。为提高Mn-Co-Ni-O薄膜器件的探测率,采用Ge半球透镜作为聚光元件,制备了薄膜浸没式探测器,并对器件的特性参数进行表征。此外,本论文还探索了磁控溅射制备工艺参数对Mn-Co-Ni-O薄膜结构、形貌、电学性质的影响,对薄膜的电子能带结构和脉冲激光响应特性进行了研究。论文主要研究内容和创新点有以下几个方面:1.研究了Al2O3衬底上Mn1.56Co0.96Ni0.48O4(MCNO)薄膜在1.5-5.5μm范围内的变温透射谱。采用Lorentz振子模型和Cauchy模型的色散关系得出了MCNO薄膜中的光学常数。发现了薄膜在0.8 eV附近的吸收峰对应着Lorentz振子的中心能级。该光吸收峰位置随温度变化关系为:在磁转变温度(约200 K)以上,吸收峰位置基本不随温度发生变化;在200 K以下,吸收峰位置随温度的减少而增加。这主要是因为温度在200 K以下,薄膜中磁序体系建立,使得局域化电子态逐渐从Hubbard带隙中退出,从而使得光吸收峰位置随温度减少而增加。2.研制了MCNO薄膜红外探测器,对其红外探测性能进行测试和分析,得出器件在30 Hz、±15 V下的响应率RV=330 V/W,探测率D*=0.6×108cm?Hz1/2/W,时间常数为τ=19 ms。利用反射式被动成像扫描系统对MCNO薄膜器件进行了热成像演示实验,验证了MCNO器件可用于热红外成像。3.采用Ge半球透镜设计和制备了MCNO薄膜正入射和背入射浸没式探测器,对MCNO薄膜浸没式探测器的性能进行研究,发现器件性能得到显著改善。正入射浸没式器件的特性参数:响应率RV=4.5×103 V/W,探测率D*=8.3×108cm?Hz0.5/W,时间常数τ=18 ms;背入射浸没式器件的特性参数:响应率RV=3.2×103 V/W,探测率D*=9.2×108 cm?Hz1/2/W,时间常数τ=7.3 ms。该实验结果证明了光学浸没式结构应用于非制冷红外探测器的可行性。4.采用磁控溅射方法制备了MCNO纳米薄膜材料,得到了电阻温度系数大、电阻率适中、噪声小的高性能薄膜材料。脉冲激光响应实验表明薄膜材料的光激发载流子的复合时间为微秒量级,相比体材料小3个量级。利用紫外光电子能谱仪对MCNO薄膜的电子能带结构进行研究,发现其属于N型材料,有望扩展其在有机光电子学中的应用。5.初步探索了磁控溅射制备MCNO薄膜材料的工艺条件,研究了溅射氛围、溅射功率、衬底生长温度以及后退火过程对MCNO薄膜结构、形貌、电学性质的影响,为发展焦平面阵列器件打下基础。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN215

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