2024年3月1日發(fā)(作者:曹操資料)

第34卷,第3期 2 0 1 4年3月 光譜學(xué)與光譜分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.34,No.3,pp709—712 March,2014 MgF2薄膜對(duì)熒光薄膜紫外響應(yīng)靈敏度的增強(qiáng)特性研究 盧忠榮,倪爭(zhēng)技,陶春先 ,洪瑞金,張大偉,黃元申 上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程中心,上海200093 摘 要在光敏面上鍍制熒光薄膜將紫外光轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光,是提高CCD和CMOS圖像傳感器紫外響應(yīng)靈敏 度的一種有效方法。針對(duì)熒光薄膜入射界面的散射和反射損耗降低熒光發(fā)光強(qiáng)度的分析,研究在熒光薄膜 上鍍制增透膜和阻隔膜的靈敏度增強(qiáng)特性。采用真空熱阻蒸發(fā)的鍍膜方法分別制備了單層Lumogen熒光薄 膜和MgF2/Lumogen復(fù)合膜。利用原子力顯微鏡,紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì),熒光光譜儀對(duì)兩種樣品的 表面粗糙度,漫反射和透射光譜以及熒光發(fā)光光譜分別進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。結(jié)果表明:MgFz保護(hù)層降低了 表面粗糙度,減小了入射界面的漫反射損耗,對(duì)500 700 nrn的可見(jiàn)波段具有明顯增透作用,也增強(qiáng)了 Lumogen' ̄膜對(duì)紫外波段受激發(fā)射的熒光強(qiáng)度;同時(shí),MgF2薄膜的抗損傷及水汽隔離性能對(duì)熒光薄膜紫外 響應(yīng)能力具有保護(hù)作用,為延長(zhǎng)紫外CCD薄膜及器件的工作壽命提供了有效手段。 關(guān)鍵詞熒光薄膜;MgF2;紫外響應(yīng);靈敏度;UV CCD 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2014)03—0709—04 中圖分類(lèi)號(hào):TN247 并實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光膜層和氧化物的有效隔離,整體提高熒光薄膜 引 言 量子裁剪(quantum cutting)是指一個(gè)高能光子進(jìn)入某些 特定材料(如稀土元素?fù)诫s物)之后變成兩個(gè)或者多個(gè)低能光 子,或者多個(gè)低能光子變成一個(gè)高能光子的現(xiàn)象。基于這種 材料的光電探測(cè)器件能夠提高對(duì)紅外或紫外波段的響應(yīng)能 力,從而拓寬器件的光電響應(yīng)范圍以及轉(zhuǎn)換效率,在太陽(yáng)能 甚至CCD探測(cè)器的紫外響應(yīng)靈敏度。 1原理與實(shí)驗(yàn)部分 1.1膜系設(shè)計(jì) MgFz薄膜透明波段為120 ̄800 nlTl,在紫外、可見(jiàn)以及 紅外光范圍都具有很寬的透射窗口,是一種優(yōu)秀的紫外增透 電池及硅基探測(cè)器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。基于Lumogen 或Coronene等有機(jī)材料的熒光薄膜具有較強(qiáng)的紫外量子裁 剪效果,廣泛應(yīng)用于制備CCD/CMOS等硅基紫外響應(yīng)成像 器件_1 ]。據(jù)報(bào)道基于Lumogen薄膜的CCD在紫外波段的量 薄膜材料,同時(shí)具有很低的光學(xué)折射率、易于成膜、機(jī)械強(qiáng) 度大、穩(wěn)定性好等性能_1 ,因此適合與紫外響應(yīng)熒光薄膜一 起制備復(fù)合膜系結(jié)構(gòu)。石英基片或硅探測(cè)器光敏元表面鍍制 MgF2/Lumogen的復(fù)合膜系結(jié)構(gòu)如圖1所示。 子效率可以提高到10 以上l5 J。 Lumogen薄膜作為有機(jī)薄膜在力學(xué)及穩(wěn)定性上也存在 缺點(diǎn)。首先,長(zhǎng)期暴露在紫外線輻射下或暴露在空氣中都容 易受到污染和破壞,導(dǎo)致熒光效果變差,壽命變短_9 ;其 次,真空蒸發(fā)制備的Lumogen薄膜表面粗糙度大,CCD接 收的有效能量顯著下降。 針對(duì)上述有機(jī)熒光薄膜在紫外響應(yīng)靈敏度降低的不利因 素,本文利用導(dǎo)納匹配法設(shè)計(jì)一種新的MgF2/Lumogen雙層 膜。通過(guò)MgF2的增透和隔離效應(yīng),降低探測(cè)器的表面反射 收稿日期:2013—05-30.修訂日期:2013—08—27 Polysili ̄on Gate Fig.1 The M /Lumogen structure Oil CCD i瑚ge sensor 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61205156,11105149),國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2011YQ150040),上海市超精密光學(xué)加工與檢 測(cè)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(11DZ2290301)資助 作者簡(jiǎn)介:盧忠榮,1988年生,上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生 *通訊聯(lián)系人 e-mail:tao@usst.edu.cn e-mail:lzr8827good@163.com
第3期 光譜學(xué)與光譜分析 /Ilo【s∞一lII∞是 亡IA 8島 711 加 0 ∞ 加 m 5 0 復(fù)合薄膜的透過(guò)率也比單層薄膜的要高。測(cè)試中透過(guò)率包含 了紫外透射和熒光發(fā)射兩個(gè)部分,但在同等能量照射下仍有 更多的光子穿透熒光膜層被探測(cè)器接收,復(fù)合膜層對(duì)熒光發(fā) 光效率有較為明顯的提高和改善。 從圖5的反射光譜曲線看,在220 ̄700 nrn波段,復(fù)合 ∞ 鯽 ∞ (250 nlTl處為吸收峰位置)激發(fā)薄膜樣品得到歸一化的發(fā)射 ∞ 光譜,如圖7所示。可以看出,單層Lumogen薄膜和復(fù)合薄 膜的發(fā)射波段集中在510 ̄600 nrn波段,主發(fā)射峰在528 nlTl 附近,次峰約為570 nlTl,與實(shí)際觀察到的黃綠光相吻合。而 復(fù)合薄膜的熒光強(qiáng)度明顯比單層薄膜的大,峰值能量相對(duì)單 層薄膜的提高了2O 以上。其他紫外波段也有類(lèi)似趨勢(shì)。 薄膜的漫反射明顯降低,而在近紅外區(qū)跟單層薄膜基本一 致,這與理論計(jì)算結(jié)果有類(lèi)似趨勢(shì)。首先由于理想界面下 MgF2/Lumogen具有本征的減反效果,其次在表面粗糙度較 大的Lumogen膜層上MgF2膜層進(jìn)一步降低了這個(gè)接收界 面的粗糙度。兩者共同實(shí)現(xiàn)了漫反射降低和紫外光增透的結(jié) 果。 ,Ⅱ0一 e0訥 《 ∞ ∞ ∞ 柏 ∞ 400 60o 800 Wavelength/nm Fig.4 Transmission spectra of Lumogen and MgF2/Lumogen 400 600 800 1 000 Wavelength/nm Fig.5 Reflectivity spectra ofLumogen and M /Lumogen 綜合分析之,MgFz薄膜可以作為Lumogen紫外增強(qiáng)薄 膜的保護(hù)膜,它不但降低了表面粗糙度,減小了漫反射,還 對(duì)寬波段起到增透作用。 2.3光致發(fā)光光譜 波長(zhǎng)范圍為220 ̄700 nrfl的吸收光譜如圖6所示,單層 薄膜和復(fù)合薄膜的吸收曲線的趨勢(shì)基本保持一致,吸收峰大 約在250,340和400 nlTl處。由圖可知所用熒光材料的吸收 邊在460 nrn左右。 為了比較單層Lumogen薄膜和復(fù)合薄膜的熒光強(qiáng)度, 在保持測(cè)試條件一致的情況下,用波長(zhǎng)為250 Din的紫外光 300 400 500 600 700 Wavelength/nm Fig.6 Absorpt. .ion 對(duì) spect曲Il _IrI—a0 ∞a of 們—Lumogen and —口 口 N一一時(shí) uoZ一 MgF2/Lumogen O O.8 0.6 0.4 O-2 0 400 450 500 550 600 650 700 Wavelengtlanm MgF2/Lumogen by 250 nln monochromatic ultra-violet light 圖7和圖4的發(fā)射光譜和透射光譜表明了復(fù)合薄膜對(duì)熒 光能量探測(cè)的有效提高能力。由于復(fù)合薄膜的吸收大散射 小,在薄膜的熒光發(fā)光效率確定情況下有效增強(qiáng)了發(fā)射光子 數(shù),使得CCD探測(cè)器具有更高的響應(yīng)靈敏度。 3結(jié)論 理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,MgFz膜層在熒光薄膜表面 不僅對(duì)寬波段光譜起到增透作用,而且改善膜層表面的粗糙 度進(jìn)而降低表面散射損耗,提高CCD探測(cè)器接收的光子強(qiáng) 度。MgFz膜層可以防止熒光層受到破壞和污染,同時(shí)具有 水汽和氧化隔離作用,是一種有效的物理和化學(xué)阻隔薄膜。 本研究在一定程度上對(duì)紫外增強(qiáng)型成像薄膜及在硅基探測(cè)器 性能改善上提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
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