Development of uncooled infrared detector based on lead selenide

Rok vydání: 2020
Předmět:
Popis: Razvoj infracrvenih detektora je bitan zbogprimene u vojnoj industriji (detekcija letelica ilaserskog zračenja), kao i kod molekularnespektroskopije, analize gasova, detekcijeeksploziva, pesticida, analize hrane, analizelekova itd. Halkogenidi olova, u čiju grupuspada i olovo selenid (PbSe), predstavljajupoluprovodnike IV-VI grupe sa uskomenergijom zabranjene zone, koja za PbSe iznosi0,27 eV na sobnoj temperaturi, što odgovaratalasnoj dužini 4,8 μm. Zbog navedenog, ali idrugih posebno3sti (visoka detektivnost na sobnojtemperaturi, relativno jednostavna tehnologija izradeitd), olovo selenid je jedan od dominantnihmaterijala za razvoj nehlađenog infracrvenogdetektora, koji radi u srednjoj oblasti infracrvenogzračenja od 1 do 5 μm. U tehnologiji izradedetektora danas preovlađuju strukture polikristalnihfilmova. Metode za izradu polikristalnih filmova nabazi olovo selenida su termičko naparavanje ihemijska depozicija. Nezavisno od procesadobijanja, film PbSe mora da se termički tretira ukontrolisanoj atmosferi kiseonika ili kiseonika ihalogena da bi postao osetljiv na infracrvenozračenje. Dakle, performanse detektora su uskopovezane sa parametrima sinteze i termičkogprocesiranja kao što su: veličina kristalita,morfologija, fazni sastav, temperatura i atmosferatermičkog tretmana itd.Komercijalno dostupni infracrveni detektori nabazi olovo selenida su uglavnom fotoprovodniinfracrveni detektori. Cilj ove doktorske disertacijeje zapravo razvoj fotonaponskog infracrvenogdetektora na bazi olovo selenida, koji poseduje p-nhomospoj. Upotrebom impulsnog izvora svetlosti,kao što su laser ili ksenonska lampa, dolazi doformiranja temperaturnog gradijenta dužpoprečnog preseka polikristalnog filma olovoselenida, gde se na površini dostiže temperaturapotrebna za senzitizaciju i difuziju kiseonika, dokpovršina koja je vezana za supstrat ostaje na sobnojtemperaturi.Paralelno su procesirani fotoprovodni i fotonaponskidetektori na bazi olovo selenida. Strukturna,morfološka i električna karakterizacija su vršene ucilju poređenja različitih procesa senzitizacije.Predložena nova struktura je „sendvič“struktura sa olovo selenidnim aktivnim filmomizmeđu kolektorskih elektroda. Ovakvalateralna struktura ima potencijal da bude boljiizbor od standardno koiršćene podužnestrukture, koja se koristi u fotoprovodniminfracrvenim detektorima.Drugi deo ove doktorske disertacije je biofokusiran na razvoj elektrode na bazi višeslojnihugljeničnih nanocevi, koja je transparentna usrednjem IC opsegu. Jednostavnom i ekonomskiisplativom tehnikom sloj-po-sloj su precesiranitanki filmovi višeslojnih ugljeničnih nanocevi ipolietilen imina. Ispitivan je uticaj debljinefilmova na transparentnost u srednjeminfracrvenom opsegu i na otpornost. Dobijeni sufilmovi transparentnosti oko 70% u srednjeminfracrvenom opsegu. Naredni korak će bitinanošenje transparentnih elektroda na filmoveolovo selenida u kojima je formiran p-n spojduž poprečnog preseka. Finalno će svi uzorcibiti podvrgnuti strukturnoj i funkcionalnoj karakterizaciji.
Development of the infrared detectors isessential for millitary purposes (aircraftdetection and laser detection), as well as formolecular spectroscopy, gas analysis,explosive detection, pesticide detection, foodand drugs analysis etc. Lead chalcogenides,such as lead selenide (PbSe), are in the group of IV-VI semiconductors with narrowbandgap, that is 0,27 eV for PbSe at roomtemperature, which corresponds towavelength 4,8 μm. Considering everythingmentioned above and some other features(high detectivity at room temperature, easyprocessing technology etc.), lead selenide isone of the dominant materials fordevelopment of uncooled infrared detectors,operating in the mid-infrared range from 1 to5 μm. In the detector manufacturingtechnology prevail structures such aspolycrystalline films. Methods for synthesisof polycrystalline films based on lead selenideare thermal evaporation and chemicaldeposition. After the synthesis, PbSe filmneeds to be thermally treated in controlledoxygen atmosphere or mixture of oxygen andchalogen in order to become infraredsensitive. Therefore, detector performancesare tightly connected with synthesisparameters and thermal processing such as:grain size, morphology, phase composition,temperature and atmosphere of the thermaltreatment etc.Commercially available lead selenide basedinfrared detectors are usually photoconductiveinfrared detectors. The goal of this PhD thesisis actually the development of thephotovoltaic infrared detector based on leadselenide, that has p-n homojunction. Usingpulsed source of the electromagneticradiation, such as laser or xenon lamp,thermal gradient will form across the crosssection of the polycrystalline lead selenidefilm, where surface reaches the temperaturenecessary for the thermal treatment andoxygen difusion, while the surface connectedto the substrates remains at the roomtemperature.In this thesis in paralell were developed bothphotoconductive and photovoltaic detectorsbased on lead selenide. Structural,morphological and electrical characterizationwere used for comparison of differentprocessing techniques. New proposed“sandwich” structure consists of lead selenidefilm in the middle of collector electrodes. Thislateral structure has a potential to be a better choice in comparison to longitudinalstructure, used for photoconductive infrareddetectors.Second part of this PhD thesis was focused ondevelopment of the electrode based on multiwalledcarbon nanotubes, transparent in themid-infrared range. Layer-by-layer techniquethat is simple and low-cost was used forprocessing of the thin films based on multiwalledcarbon nanotubes andpolyethileneimine. Influence of the filmthickness on the transparency in the midinfraredrange and sheet resistance wasexamined. Processed films had 70%transparency in the mid-infrared range. Nextstep will be deposition of the transparentelectrode onto the lead selenide films madewith p-n homojunction. Finally, all sampleswill be characterized for their structural andfunctional properties.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: