红外感应材料
作者：adverlouis 红外线是一类电磁波的统称，广泛用于指代波长从1mm到770nm之间的电磁波。在自然界中，任何物体都能够发射红外线，任何物体都会吸收红外线。红外线在自然界中主要起传播能量的作用，其在物体上的效应主要是热效应。良好的红外线发射物体同时也是良好的红外线吸收物体。
由于红外线在自然界中的广泛存在，决定了它在自然界和人类社会中的广泛应用。而对红外线的任何利用离不开对红外线的检测，或者说感应。在自然界中，很多动物都能够利用红外线来获取信息，正如人类利用可见光来接收信息一样。蛇类利用舌头上的热感器官来捕捉红外线，蚊子利用头部的红外线感应器来确定猎物位置。这些是自然界历经千百年变化而衍生出来的生物红外感应器，其精巧型是超出人类解析范围的。而进入二十世纪以来，自红外线被发现以来，人类也在寻找各种技术来检测红外线，设计了多种多样的红外线传感器。
红外传感器的先进与否由制造传感器采用的红外感应材料决定。历经接近两百年的发展，红外感应技术也发生了翻天覆地的变化。最初的时候，人们曾利用红外线的热效来检测红外线 ，由于当没有半导体材料，人们只好采用热电偶来检测红外线，由于热电偶较低的灵敏性和红外线微弱的热效应，当时的检测效果可想而知。也有人采用感光胶片来对红外线进行检测，但是红外线的波长较长，光子能量较低，胶片的感光效果并不理想。直到半导体材料出现，红外检测技术才真正的开始发展起来。
从工作机理上来分，红外感应材料可分为热探测仪和光子型探测仪。
热探测仪利用了红外线的热效应，当红外线照射到热探测仪的敏感材料时，敏感材料的温度就会发生变化，而温度的变化可以转化成一定的电信号输出出来，从而实现了红外信号到电信号的转化。因为是利用红外线的热效应，热探测的响应时间较长。但是对波长的要求，即对单光子能量的要求较低，因此热探测的响应范围较广 ，对于波长超过200um的红外线，热探测仪是唯一的选择。
光子型探测仪利用了光子的能量效应。当红外线照射到光子敏感材料上时，材料中的电子就会接收红外光子的能量，改变其能量状态，由此改变了材料的电学性质。通过对材料电学性质的检验，就可以得到入射红外线的相关信息，事实上也是一种由红外信号到电信号的转化。光子型探测仪的感应材料从种类上来划分可以划分为三种，分别是半导体探测材料，超导探测材料和超巨磁电阻探测材料。其中半导体探测材料是发展历史最长的红外感应材料，也是发展最为完善的红外感应材料。超导探测材料技术发展时间较短，技术工艺尚不成熟，但是，随着近年来的高温超导材料的不断发展，超导材料显示出了巨大的前景。超巨磁电阻探测技术更是刚起步的领域，目前仍处于探索研究阶段。
半导体红外探测材料包括硫化铅，锑化yin，锗掺杂(金，汞)，碲锡铅，碲镉汞，硫酸三甘酞，钮酸铿，锗酸铅，氧化镁等。其中锑化yin和碲镉汞是目前红外光电体系使用的主要探测材料，特别是碲镉汞是世界研究的重点。当前生长碲镉汞体材料的主要方法是固态再结晶，少数采用垂直区熔和磅熔剂等方法生长。碲镉汞体材料的主要问题是组分不易控制，得不到大尺寸均匀晶体，成品率低等。在这种情况下国外一些公司仍然在寻求新的生长方以改善晶体质量。如近年来采用的移动热区法和移动溶剂法已取得进展，尽管从科学研究的角度来看碲镉汞体材料已逐渐让位，但从六十年代初开始研究到七十年代初，取得突破性进展的碲镉汞体材料近十几年在红外技术的发中发挥了和仍然在发挥着主要的作用。当前绝大部分红外军事装备所用的红外探测器都是由碲镉汞体材料制造的。在碲镉汞红外探测材料的研究上，美国和法国走的是不同的研究道路。法国着重于研究制备型红外感应材料，世界上第一个光伏型红外探测仪就是在法国诞生的。美国着重于材料的提纯，认为有了高纯度的材料，就便于制造出高性能的红外检测仪。法国科研界认为：制造光伏器件并不需要高纯度的半导体材料，杂质浓度在1018CM-8即可。尽管碲镉汞是目前制备红外探测仪的最好材料，但是它所存在的不足，仍是人们寻找新型红外感应材料的依据。在七十年代，碲锡铅曾经是碲镉汞的强力竞争者，但是在后来的发展中败下阵来。但近年的发展中它又有所进展，它与硅的失配也可以用过渡办法加以解决。由于汞碲与镉碲结合自由能较小，晶体的缺陷较多，错位高。而汞碲和锌碲的结合自由能大于前者，因此错位可以很低。碲锌汞可能成为制造红外探测器的更好的材料。汞锰碲也是一种很有希望的新材料，当x=0.6时禁带宽度为0，且其晶体生长较碲镉汞还要容易些，但是，目前由于材料纯度不够，还不能做出高性能的红外感应材料。此外人们曾经认为镉碲晶体是外延的碲镉汞一种较好的衬底材料，但它并不是一种理想的衬底材料，因为它的晶体结构并不与碲镉汞完全匹配；其次是错位密度很降下来。因此，人们积极寻找更适合的材料。据认为碲锌镉较镉碲要好的多，国外正研究用它取代镉碲作为碲镉汞或锌镉汞的衬底材料。
超导红外探测仪在工作机理上又可分为三类：超导—绝缘—超导红外探测仪，热电子红外探测仪，超导薄膜红外探测仪。超导红外探测仪探测率较高，且其噪声远低于其他的红外探测仪，响应波长范围更大。由于超导和非导电电子之间存在能隙。当有光子能量大于能隙入射后，电子会吸收该能量发生跃迁从而产生光电流。该光电流在超导体中的效应十分磁明显。通过对电流磁效应的测量，可以间接得到红外入射光的有关信息。利用以上原理制备的红外感应器就是超导—绝缘—超导红外探测仪。热电子红外探测仪分为高温超导和低温超导两类。低温超导红外探测仪主要的部件是几个纳米厚的铌超导纳米微桥和作为冷却装置的两个金块组成的混频器。当铌薄膜吸收光子时，其薄膜内电子温度会很快升高。而薄膜电阻依赖于电子温度，电子温度改变会改变薄膜的电阻。从而将入射红外线信号转化为电信号。高温超导发现以后, LeiaR.Val 和R.H.Ono研制了YBCO超导薄膜的热电子微红外探测仪, 它主要是用生长于Si 衬底上外延超导薄膜( 厚几十纳米、宽几个微米) , 含钇氧化锆( YSZ) 为缓冲层, 工作温度为80K, 大大提高了以往热电子红外探测仪的工作温度。超导薄膜红外探测仪主要利用了超导薄膜在Tc附近的I-V非线性关系 。以超导薄膜作为吸收层，用超导量子干涉仪读出数据。目前的超导薄膜探测仪及发展了低温下的超导薄膜红外探测仪又发展了高温下的超导薄膜红外探测仪。
钙钛矿锰化合物具有一系列的特殊性质近年来引起了人们的注意。在磁场中，它们的电阻发生巨大变化，从而被人们称为超巨磁电阻材料。进一步的研究还发现，大多数超巨磁电阻材料在略低于转变点温度时其电阻会突然下降。通过掺杂，氧退火等方式可以改变材料的转折点。红外线的入射会改变材料的温度，而温度的改变会引起超巨磁电阻材料电阻的急剧变化。利用这一点，可以将超巨磁电阻材料做成非常灵敏的红外线检测仪。但是，目前为止，超巨磁电阻材料的转折点温度依然没能达到正常的温度使用要求。而关于其响应范围的限制也在进一步的研究中。随着人们认识的加深，超巨磁电阻材料将成为一种非常有前景的材料出现在现代科学和工业应用中。
红外检测在现代生活中遍布与民用和军事之中。我们随处可见的感应盥洗装置，军事上的红外成像仪，红外追踪仪等等。红外感应材料弥补了人类在可见光以外的信息获取渠道。是人类利用自身的知识与技术提高人类生物体能力的一个很好地证明。
参考文献
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