OE1022 锁相放大器与 OE3001 光学斩波器在 Ti 超表面集成 MCNO长波红外热探测器中的应用

2026 年 3 月，中国科学院新疆理化技术研究所常爱民教授与华南师范大学陈长水研究员联合团队在 IEEE Sensors Journal 发表研究成果，提出一种 Ti(钛)超表面集成的Mn1.56Co0.96Ni0.48O4(MCNO)长波红外热探测器。该探测器以 Ti/MCNO/Pt 为核心功能结构，形成金属—半导体—金属(MSM)构型。在该工作中，研究团队采用赛恩科仪 OE3001 光学斩波器(1 Hz–10 kHz 斩波频率可选)对黑体红外辐射进行低频调制，并使用赛恩科仪OE1022 锁相放大器(DC–102 kHz)提取探测器输出的微弱响应电压，为黑体响应率、响应时间等关键性能参数测试提供支撑。

该研究针对长波红外探测中吸收率不足、响应率有限以及器件厚度难以降低等问题，将Ti 超表面结构引入 MCNO 热敏薄膜，通过局域表面等离激元效应(LSP)和干涉效应增强红外吸收。最终器件在 8.7–12.1 μm 长波红外范围内吸收率超过 80%，1 Hz 下黑体响应率达到 348.36 V/W，相比无 Ti 结构器件提升 123.22%。

Ti超表面 MSM 热探测器的设计与原理

在MSM 结构中，MCNO 薄膜既作为热敏层，也作为与红外吸收相关的介质层;Pt 层作为底部电极，Ti 圆柱阵列作为顶部超表面结构(图 1a、b)。与额外引入独立吸收层的传统结构相比，该设计可减少吸收层与热敏层之间的热传导损失，同时降低器件总厚度。

Ti 超表面的增强机理主要来自两个方面。首先，长波红外入射到 Ti 圆柱结构时会激发局域表面等离激元效应(LSP)，使电磁场集中在金属微结构附近，从而提升 MCNO 层对红外辐射的吸收。其次，Ti 顶层与 Pt 底层之间形成光学干涉结构，使部分反射光发生相消干涉，进一步降低反射并增强吸收(图 1c、d)。

研究团队通过FDTD 仿真优化了 MCNO 薄膜厚度、Ti 圆柱直径、周期和高度(图 1e–g)。最终确定的优化参数为：MCNO 厚度 400 nm，Ti 圆柱直径 2 μm，周期 3 μm，高度 150 nm。仿真结果表明，该结构在 9 μm 附近具有显著吸收增强效果，同时能够保持较薄的器件厚度。

图1.(a)探测器组成和(b)MSM 结构。(c)LSP 效应示意图和(d)干涉效应示意图。(e)不同 MCNO 薄膜厚度下 MCNO/Pt 结构的红外吸收率仿真结果。(f)Ti 结构高度为 150 nm 时，不同 Ti 结构直径和周期(D&P)下 MSM 结构的红外吸收率仿真结果。(g)Ti 结构直径和周期分别为 2 μm 和 3 μm 时，不同 Ti 结构高度下的红外吸收率仿真结果。

随后，研究团队通过微纳加工制备器件，流程包括MCNO 黏附层沉积、Pt 电极制备、MCNO 探测层沉积以及 Ti 超表面加工(图 2)。扫描电子显微镜(SEM)和能量色散 X 射线谱(EDS)测试结果表明，各功能层结构清晰，Ti 圆柱阵列排列完整，Mn、Co、Ni、Pt 和 Ti 元素分布均匀，说明器件结构制备较为可靠。

图2. 探测器制备流程：(a)MCNO 黏附层沉积;(b)Pt 电极层沉积;(c)MCNO 探测层沉积;(d)Ti 超表面加工。

电学测试显示，与无Ti 层探测器相比，具有不同 Ti 结构直径和周期参数的 MSM 探测器同样表现出良好的线性响应，并保持基本线性特征(图 3a)。这说明 Pt 电极与 MCNO 薄膜之间形成了良好的欧姆接触。如图 3b 所示，器件在 0–90 ℃ 范围内呈现良好的负温度系数特性，室温下 TCR 约为 −3.82%/K，表明 MCNO 薄膜具有较高的热敏性能。

图3. 具有 Ti 层和不具有 Ti 层探测器的：(a)I–V 特性;(b)R–T 特性。

应用成果

在红外吸收(FT-IR)测试中，未引入 Ti 结构的参考器件在长波红外区域吸收能力较弱;引入 Ti 超表面后，器件吸收光谱得到明显增强并可实现调控(图 4)。当 Ti 圆柱直径为 2 μm、周期为 3 μm 时，器件在 8.7–12.1 μm 波段吸收率超过 80%，表现出良好的长波红外吸收能力。

图4. (a)FT-IR 测试区域。(b)具有不同 Ti 结构直径和周期，或不具有 Ti 结构的探测器在 7–15 μm 范围内的吸收率曲线。(c)–(e)对应的 SEM 图像。

图5. (a)黑体响应测试系统;(b)具有不同 Ti 结构直径和周期，或不具有 Ti 结构的探测器黑体响应率;(c)具有 Ti 结构和不具有 Ti 结构探测器的时间响应表征。

为评估探测器的实际响应性能，研究团队搭建了标准黑体响应测试系统(图5a)。该系统由黑体辐射源、源表、赛恩科仪 OE3001 光学斩波器和OE1022 锁相放大器组成。其中，OE3001 用于提供 1–20 Hz的调制频率，OE1022 用于检测探测器输出的微弱响应电压，从而计算黑体响应率。

测试结果显示，优化后的Ti 超表面器件在 1 Hz 下黑体响应率达到 348.36 V/W，而无 Ti 结构参考器件为 156.06 V/W，响应率提升 123.22%(图 5b)。同时，Ti 超表面器件响应时间为 113.1 ms，与参考器件的 106.8 ms 接近(图 5c)，说明该结构在显著提升响应率的同时，并未明显牺牲响应速度。

表1. 不同结构红外探测器性能对比

研究还将该器件与传统谐振腔结构和MIM 结构红外探测器进行对比。如表1所示，该 Ti/MCNO/Pt 的 MSM 结构兼具较高 TCR、较薄器件厚度、较宽长波红外吸收范围和较高黑体响应率，展现出在低频长波红外探测中的应用潜力。

总结

该研究提出了一种Ti 超表面集成 MCNO 的 MSM 结构长波红外热探测器，通过局域表面等离激元效应和干涉效应增强红外吸收，并利用 MCNO 薄膜的高热敏特性实现高响应率探测。该工作为高响应率、薄型化长波红外热探测器设计提供了新的结构思路。