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MgF2薄膜对荧光薄膜紫外响应灵敏度的增强特性研究

更新时间:2024-03-01 06:12:36 阅读: 评论:0

2024年3月1日发(作者:曹操资料)

MgF2薄膜对荧光薄膜紫外响应灵敏度的增强特性研究

第34卷,第3期 2 0 1 4年3月 光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.34,No.3,pp709—712 March,2014 MgF2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:MgFz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500 700 nrn的可见波段具有明显增透作用,也增强了 Lumogen' ̄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;UV CCD 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2014)03—0709—04 中图分类号:TN247 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 引 言 量子裁剪(quantum cutting)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 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 MgFz薄膜透明波段为120 ̄800 nlTl,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 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 ]。据报道基于Lumogen薄膜的CCD在紫外波段的量 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_1 ,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。 子效率可以提高到10 以上l5 J。 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 ;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 收稿日期:2013—05-30.修订日期:2013—08—27 Polysili ̄on Gate Fig.1 The M /Lumogen structure Oil CCD i瑚ge sensor 基金项目:国家自然科学基金项目(61205156,11105149),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 *通讯联系人 e-mail:tao@usst.edu.cn e-mail:lzr8827good@163.com 

第3期 光谱学与光谱分析 /Ilo【s∞一lII∞是 亡IA 8岛 711 加 0 ∞ 加 m 5 0 复合薄膜的透过率也比单层薄膜的要高。测试中透过率包含 了紫外透射和荧光发射两个部分,但在同等能量照射下仍有 更多的光子穿透荧光膜层被探测器接收,复合膜层对荧光发 光效率有较为明显的提高和改善。 从图5的反射光谱曲线看,在220 ̄700 nrn波段,复合 ∞ 鲫 ∞ (250 nlTl处为吸收峰位置)激发薄膜样品得到归一化的发射 ∞ 光谱,如图7所示。可以看出,单层Lumogen薄膜和复合薄 膜的发射波段集中在510 ̄600 nrn波段,主发射峰在528 nlTl 附近,次峰约为570 nlTl,与实际观察到的黄绿光相吻合。而 复合薄膜的荧光强度明显比单层薄膜的大,峰值能量相对单 层薄膜的提高了2O 以上。其他紫外波段也有类似趋势。 薄膜的漫反射明显降低,而在近红外区跟单层薄膜基本一 致,这与理论计算结果有类似趋势。首先由于理想界面下 MgF2/Lumogen具有本征的减反效果,其次在表面粗糙度较 大的Lumogen膜层上MgF2膜层进一步降低了这个接收界 面的粗糙度。两者共同实现了漫反射降低和紫外光增透的结 果。 ,Ⅱ0一 e0讷 《 ∞ ∞ ∞ 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 综合分析之,MgFz薄膜可以作为Lumogen紫外增强薄 膜的保护膜,它不但降低了表面粗糙度,减小了漫反射,还 对宽波段起到增透作用。 2.3光致发光光谱 波长范围为220 ̄700 nrfl的吸收光谱如图6所示,单层 薄膜和复合薄膜的吸收曲线的趋势基本保持一致,吸收峰大 约在250,340和400 nlTl处。由图可知所用荧光材料的吸收 边在460 nrn左右。 为了比较单层Lumogen薄膜和复合薄膜的荧光强度, 在保持测试条件一致的情况下,用波长为250 Din的紫外光 300 400 500 600 700 Wavelength/nm Fig.6 Absorpt. .ion 对 spect曲Il _IrI—a0 ∞a of 们—Lumogen and —口 口 N一一时 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 图7和图4的发射光谱和透射光谱表明了复合薄膜对荧 光能量探测的有效提高能力。由于复合薄膜的吸收大散射 小,在薄膜的荧光发光效率确定情况下有效增强了发射光子 数,使得CCD探测器具有更高的响应灵敏度。 3结论 理论分析和实验测试表明,MgFz膜层在荧光薄膜表面 不仅对宽波段光谱起到增透作用,而且改善膜层表面的粗糙 度进而降低表面散射损耗,提高CCD探测器接收的光子强 度。MgFz膜层可以防止荧光层受到破坏和污染,同时具有 水汽和氧化隔离作用,是一种有效的物理和化学阻隔薄膜。 本研究在一定程度上对紫外增强型成像薄膜及在硅基探测器 性能改善上提供理论指导和技术支持。 

712 光谱学与光谱分析 第34卷 References Wedding,Stephen R Clarke,et a1.SPIE,2005,5649:616 [1] Alec Deslandes,A Bruce fan,Xu Xiaoxuan,Wang Bin,et a1.SPIE,2009,7384:261. [2] Zheng Yi[3] WANG Li-hui,WANG Xiao-kun,CHEN Bo(王丽辉,王孝坤,陈波).Optic Technique(光学技术),2006,32:479. —qun,DING Zhi—tian(杜晨光,孙利群,丁志田).Optic Technique(光学技术),2010,36(5):753. [4] DU Chen—guang,SUN LiTechnologies.Technical note on UV Conversion Coatings.E2v Technologies Limited,2003,507. [5] E2v AN Xin,zHANG Da—wei,HUANG Yuan—shen,et al(田 鑫,张大伟,黄元申,等).Laser Journal(激光杂志),2008,29(5):9. [6] TIexander S J.Phosphor Coated UV-Responsive G2D Image Sensors,Waterloo:University of Waterloo,2002. [7] Alssey P F,McClandiss S R,Feldman P D,et a1.App1.Opt.,1994,33(13):2534. [8] Morichael A Damento,Andrew A Barcellos,William V Schempp.SPIE,2011,2415:204. [9] MiT I ,Wedding A B,et a1.Surface Science,2007,601:5744. ElO] Keough S J,Hanley chard C Catura,Dexter W Duncan,Lawrence Shing,et a1.SPIE,1998,3445:291. El12 RiShu-zhen,ZHAOZu-xin,SHAO Jian-da(尚淑珍,赵祖欣,邵建达).HighPowerLaser andParticleBeams(强激光和粒子束), E12] SHANG 2008,20(3):397. E13] TANG Jin-fa,GU Pei—fu,I IU Xu,et a1(唐晋发,顾培夫,刘旭,等).Modern Optical Thin Technology(现代光学薄膜技术).Hang— zhou:Zhejiang University Press(杭州:浙江大学出版社),2006.29.  A G.Technica1 Information:Lumogen R Yellow S 0790.Germany:BASE SE,2005.1. [14] BasfThe Research of UV—Responsive Sensitivity Enhancement of Fluorescent Coating Films by MgF2 Layer ZHANG Da-wei,HUANG Yuan-shen LU Zhong-rong,NI Zheng-ji,TAO Chun-xian ,HONG Rui-jin, Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System,School of Optical—Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China Abstract A low cost and less complicated expansion approach of wavelength responses with a Lumogen phosphor coating was adopted.as they increased the quantum efficiency of CCD and CMOS detectors in ultra-violet by absorbing UV light and then re- emitting visible light。In this paper,the sensitivity enhancement of fluorescence coatings was studied by adding an anti—reflection film or barrier film to reduce the loss of the scattering and reflection on the incident interface.The Lumogen and MgFz/Lumogen film were deposited on quartz glasses by physical vacuum deposition.The surface morphology,transmittance spectrum,reflec— tance spectrum and fluorescence emission spectrum were obtained by atomic force microscope(AFM),spectrophotometer and fluorescence spectrometer,respectively.The results indicated that MgF2 film had obvious positive effect on reducing scattering and reflection loss in 500 ̄700 r蚰,and enhancing the absorption of Lumogen coating in ultraviolet spectrum.Meanwhile,the fluorescent emission intensity had a substantial increase by smoothing the film surface and thus reducing the light scattering.At the same time,the MgFz layer could protect Lumogen coating from damaging and contamination,which give a prolong lifetime of the UV—responsive CCD sensors with fluorescent coatings. Keywords Fluorescent films;UV-responsive;MgF2 film;Sensitivity;UV CCD (Received May 30,2013;accepted Aug.27,2013) *Corresponding author 

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