MgF_2薄膜对荧光薄膜紫外响应灵敏度的增强特性研究.docx

第３４卷，第３期光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３，ｐｐ７０９－７１２２０１４年３月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＭａｒｃｈ，２０１４ＭｇＦ２薄膜对荧光薄膜紫外响应灵敏度的增强特性研究卢忠荣，倪争技，陶春先＊，洪瑞金，张大伟，黄元申上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程中心，上海２０００９３摘要在光敏面上镀制荧光薄膜将紫外光转变为可见光，是提高ＣＣＤ和ＣＭＯＳ图像传感器紫外响应灵敏度的一种有效方法。针对荧光薄膜入射界面的散射和反射损耗降低荧光发光强度的分析，研究在荧光薄膜上镀制增透膜和阻隔膜的灵敏度增强特性。采用真空热阻蒸发的镀膜方法分别制备了单层Ｌｕｍｏｇｅｎ荧光薄膜和ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ复合膜。利用原子力显微镜，紫外可见近红外分光光度计，荧光光谱仪对两种样品的表面粗糙度，漫反射和透射光谱以及荧光发光光谱分别进行对比测试分析。结果表明：ＭｇＦ２保护层降低了表面粗糙度，减小了入射界面的漫反射损耗，对５００～７００ｎｍ的可见波段具有明显增透作用，也增强了Ｌｕｍｏｇｅｎ薄膜对紫外波段受激发射的荧光强度；同时，ＭｇＦ２薄膜的抗损伤及水汽隔离性能对荧光薄膜紫外响应能力具有保护作用，为延长紫外ＣＣＤ薄膜及器件的工作寿命提供了有效手段。关键词荧光薄膜；ＭｇＦ２；紫外响应；灵敏度；ＵＶＣＣＤ中图分类号：ＴＮ２４７文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１４）０３－０７０９－０４引言量子裁剪（ｑｕａｎｔｕｍｃｕｔｔｉｎｇ）是指一个高能光子进入某些特定材料（如稀土元素掺杂物）之后变成两个或者多个低能光子，或者多个低能光子变成一个高能光子的现象。基于这种材料的光电探测器件能够提高对红外或紫外波段的响应能力，从而拓宽器件的光电响应范围以及转换效率，在太阳能电池及硅基探测器等领域有重要的应用价值。基于Ｌｕｍｏｇｅｎ或Ｃｏｒｏｎｅｎｅ等有机材料的荧光薄膜具有较强的紫外量子裁剪效果，广泛应用于制备ＣＣＤ／ＣＭＯＳ等硅基紫外响应成像器件［１－４］。据报道基于Ｌｕｍｏｇｅｎ薄膜的ＣＣＤ在紫外波段的量子效率可以提高到１０％以上［５－８］。Ｌｕｍｏｇｅｎ薄膜作为有机薄膜在力学及稳定性上也存在缺点。首先，长期暴露在紫外线辐射下或暴露在空气中都容易受到污染和破坏，导致荧光效果变差，寿命变短［９－１１］；其次，真空蒸发制备的Ｌｕｍｏｇｅｎ薄膜表面粗糙度大，ＣＣＤ接 收的有效能量显著下降。针对上述有机荧光薄膜在紫外响应灵敏度降低的不利因素，本文利用导纳匹配法设计一种新的ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ双层膜。通过ＭｇＦ２的增透和隔离效应，降低探测器的表面反射并实现对荧光膜层和氧化物的有效隔离，整体提高荧光薄膜甚至ＣＣＤ探测器的紫外响应灵敏度。１原理与实验部分１．１膜系设计ＭｇＦ２薄膜透明波段为１２０～８００ｎｍ，在紫外、可见以及红外光范围都具有很宽的透射窗口，是一种优秀的紫外增透薄膜材料，同时具有很低的光学折射率、易于成膜、机械强度大、稳定性好等性能［１２］，因此适合与紫外响应荧光薄膜一起制备复合膜系结构。石英基片或硅探测器光敏元表面镀制ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ的复合膜系结构如图１所示。Ｆｉｇ．１ＴｈｅＭｇＦ２／ＬｕｍｏｇｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎＣＣＤｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒ收稿日期：２０１３－０５－３０，修订日期：２０１３－０８－２７基金项目：国家自然科学基金项目１１１０５１４９），国家重大科学仪器设备开发专项（２０１１ＹＱ１５００４０），上海市超精密光学加工与检测服务平台建设项目（１１ＤＺ２２９０３０１）资助作者简介：卢忠荣，１９８８年生，上海理工大学光电信息与计算机工程学院硕士研究生ｅ－ｍａｉｌ：ｌｚｒ８８２７ｇｏｏｄ＠１６３．ｃｏｍ＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｏ＠ｕｓｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ７１０光谱学与光谱分析第３４卷对于图１所示的复合膜系，基于膜层的特征矩阵计算ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ膜系的反射率。ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ双层膜的特征矩阵表示为［１３］图３为Ｌｕｍｏｇｅｎ薄膜和ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ复合膜表面的原子力显微成像图。Ｌｕｍｏｇｅｎ单层薄膜表面颗粒尺寸较大，但有明显的尖峰和深谷形态，而ＭｇＦ／Ｌｕｍｏｅｎ复合膜的２ｇｋＢ烄熿ｃｏｓδｊｉｓｉｎδｊ燄烌１颗粒度相对变小，颗粒更圆滑。粗糙度和颗粒度的数值结果ｊ＝１ηｊ［Ｃ］＝烅∏烆ｉη烍［ηｋ＋１］燅烎（１）如表１所示，ＭｇＦ２／Ｌｕｍｏｇｅｎ复合膜粗糙度和最大颗粒度都ｉｃｏｓδｊ，。另外，由于燀ｊ有明显减小分别为１８．５５８ｎｍ和０．３１５μｍＲ＝η０Ｂ－Ｃη０Ｂ－Ｃ＊（２）ＭｇＦ２膜层的整平效应，比Ｌｕｍｏｇｅｎ单层膜厚度均匀性更（η０Ｂ＋Ｃ）（η０Ｂ＋Ｃ）好，