一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器的製作方法

2023-06-13 04:15:01 2

專利名稱：一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紫外光探測器技術，特別是一種用於紫外光探測的納米同軸電纜異質結陣列基紫外光探測器。
背景技術：
紫外光探測器因其抗幹擾能力強等優點在軍民領域得到了廣泛應用。由於傳統單晶Si基半導體材料對紫外光沒有選擇吸收性，必須使用昂貴的濾光片，導致單晶Si基紫外探測器生產成本居高不下，難以滿足民用市場的需要。因此，目前人們主要把目光集中在寬帶隙半導體材料構成的結型器件上，如(Al)GaN, SiC、SiO、金剛石結型器件等，相應的研究也主要集中在單晶器件上。由於單晶材料製備工藝複雜、往往需要造價高昂的生產設備，因此，紫外探測器的製造成本仍舊很高。近年來由於納米材料和納米光電子技術的飛速發展， 使得研究人員更多地將目光投到製備工藝更為簡易，且無需昂貴製造設備的納米結構多晶薄膜結型器件上，希望以此製備出成本更低、性能更為突出的紫外光探測器，相關研究已成為新的熱點。目前，國內外研究人員以納米多晶薄膜為基礎設計了多種不同結型結構的紫外光電探測器件，包括液結、肖特基結、PN結型紫外光探測器，並對它們的光電性能進行了較為詳細的研究，如《科學通報》2006. 51(8)發表了付姚、曹望和合著的《用於紫外光傳感器的透明納米 TiO2 薄膜的製備》，((Applied physics letters)) 2007，90，201118 發表了 H. L. Xue, Χ. Ζ. Kong, Ζ. R. Liu 等合著的〈〈Ti02based metal-semi conductor-metal ultraviolet photodetectors》。然而，儘管有關納米多晶薄膜結型紫外光探測器的研究取得了一定的進展，但從所獲器件性能來看，仍處於初級階段。納米多晶薄膜紫外光探測器的光電性能尚無法趕超單晶器件而獲得應用。傳統多晶薄膜結型器件光電性能之所以無法得到飛躍性提高的根本原因如下1.傳統多晶薄膜結型器件的異質結結構與單晶結型器件相似，異質結界面均為普通的平面接觸，因此，分布在接觸面附近的空間電荷區面積較小，對光生電子-空穴對的分離作用有限；2.多晶薄膜內過高的晶界和缺陷密度嚴重阻礙了光生電子嚮導電基底或金屬電極的擴散，使得大量光生電子-空穴對在尚未擴散至電極處時，即因為發生複合而損失掉；3.多晶薄膜內所存在的大量缺陷作為光生電子-空穴對的複合中心也嚴重降低了光生載流子的壽命。上述原因在很大程度上抑制了納米多晶薄膜結型器件光電性能的提高。如果能夠將納米多晶薄膜的晶粒高度有序地排列起來，使其在薄膜內形成光生載流子傳輸的專用通道，同時通過優化結構設計最大限度地擴大異質結界面面積，那麼勢必會使薄膜中光生載流子在傳輸中受到的阻礙大幅降低，大幅提高光生電子-空穴對的分離效率，從而有望使納米多晶薄膜的光電性能獲得顯著的提高，使其接近甚至達到單晶器件的水平。就目前的研究成果來看，高度有序化的納米晶粒結構，如納米管陣列、納米線陣
3列、光子晶體已成功應用於太陽能電池、氣體傳感器、光催化等領域的研究，並取得了不錯的效果。((Chemistry of Materials)) 2010. 22 :143 發表了 C. K. Xu, P. H. Shin, L. L. Cao 等☆著白勺((Ordered TiO2 nanotube arrays on transparent conductive oxide for dye-sensitized solar cells》，他們的研究結果證實，具有高度有序結構的納米多晶薄膜比傳統多晶薄膜的確能夠獲得令人驚喜的性能提高。然而需要注意的是，儘管有序化的納米結構對光生載流子的傳輸速率有很大的提高，但其對光生電子-空穴對的分離卻無直接作用。中國專利ZL201010146780公開了一種納米線異質結陣列基紫外光探測器及其製備方法，該專利為了獲得比傳統多晶PN結薄膜更高的光生電子、空穴對分離效率，利用P型納米線和N型納米線對接，形成納米線PN結。利用納米線直達導電基底且高度有序化的結構和相對多晶薄膜更低的缺陷密度，為光生電子和空穴分別提供專用輸運通道，加快電荷輸運速率，減小光生電子和空穴在輸運過程中的損耗。但由於納米線PN結的結截面與納米線徑向截面面積相同，大量納米線PN結形成陣列後，總的PN結截面面積與同體積傳統多晶薄膜PN結的結截面面積相同，即等於與薄膜表面平行的截面面積。所以，這種納米線PN結陣列只提供了載流子的快速輸運通道，並沒有在同體積薄膜條件下擴大PN結的有效結面積，因此，理論上講，形成的空間電荷區體積應該是一樣的(內建電場的作用範圍沒有得到擴大)，且都位於薄膜內部。這樣，光照產生的光生載流子如果沒有產生在薄膜內部的空間電荷區的話，就需要一定時間的擴散過程來進入到空間電荷區。然而，光生載流子的壽命是有限的。一但光生載流子的擴散時間大於其壽命的話，這部分光生載流子就會損失掉。在納米線PN結的製備方法方面，該專利利用單向開口的多孔氧化鋁為模板，在模板微孔內通過電泳沉積技術，分兩步使TiA膠粒和NiO膠粒先後沉積於導電基底和所形成的TiA納米線之上，並形成納米線PN結。這種方法存在的弊端是，由於多孔氧化鋁微孔為單向開口，孔內缺少流通性，膠粒沉積時受氧化鋁微孔孔壁的電場作用，往往會在孔壁沉積，並阻礙後來的膠粒嚮導電基底遷移。因此，膠粒的填充率低，結構不夠緻密。採用雙通多孔氧化鋁雖然可以保證孔內的流通性，使膠粒更易於遷移到底部，但卻無法實現雙向異質結構的沉積，即無法保證一側沉積TW2納米線，同時另一側沉積MO納米線。
發明內容為解決現有技術存在的上述問題，本實用新型要設計一種成本低廉、具有高光電性能且性能穩定的納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，包括基底、導電薄膜，所述的導電薄膜位於基底上；所述的基底是玻璃基底、 金屬基底或矽基底，所述的導電薄膜上有作為紫外光吸收層的MOOTiA納米同軸電纜異質結陣列和至少一個N型歐姆電極，所述的NiOOTiA納米同軸電纜異質結陣列上有至少一個 P型歐姆電極；所述的NiOOTiA納米同軸電纜異質結陣列為TiA納米管陣列和填充於TiA 納米管內的NiO納米線構成，所述的TiO2納米管陣列由生長方向垂直於導電薄膜的TiO2納米管平行排列構成，所述的每一根TiA納米管內均生長有一根NiO納米線。本實用新型所述的導電薄膜為氧化銦錫ITO導電薄膜或摻氟SnO2FTO導電薄膜。本實用新型所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極為點狀結構或環形結構或曲線結構。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果1、本實用新型將P、N型材料即NiO和TiO2材料分別作為納米同軸電纜的管芯和管殼，其優勢在於納米管具有和納米線一樣的高度有序結構，因此，TiO2納米管和NiO納米線所構成的同軸電纜一樣可以為光生電子和空穴分別提供快速輸運通道。不僅如此，由於納米線和納米管具有遠大於體相材料的超大比表面積，NiO納米線和TW2納米管緊密結合形成納米同軸電纜後，理論上二者界面處形成的空間電荷區截面將與單根納米線表面積相同，並沿納米電纜軸向分布。大量具有上述特徵的納米同軸電纜構成陣列後，其空間電荷區將是同體積傳統層疊式PN結薄膜所具有的空間電荷區的上百倍，甚至更大，並貫穿於整個光敏層內。由於空間電荷區不再僅僅位於薄膜內部，而是貫穿整個薄膜，所以當通過P、N 型歐姆電極對納米同軸電纜異質結陣列施加偏置電壓後，紫外光照在薄膜內不同位置所產生的絕大部分光生電子和空穴將不再需要首先擴散至空間電荷區，而是可以在第一時間原位得到快速分離。儘管會有很少部分的光生載流子仍然會產生於空間電荷區外，但由於納米線或納米管的直徑很小(小於lOOnm)，完全在光生電子的擴散距離之內。因此，它們可以通過極短距離的擴散，進入附近的空間電荷區，並得到分離。這樣可以充分提高光生載流子的利用率。2、本實用新型採用具有獨立雙通結構的TW2納米管陣列為N型材料，同時作為 NiO納米線沉積的模板，通過一次模板原位化學一步合成法即可實現MO納米線的製備。其優勢是首先，以獨立雙通TiA納米管陣列為原料兼模板，使製備步驟更為簡單；其次，獨立雙通TiA納米管具有很好的內部流通性，利用雙向擴散反應，可以很容易地在其內部製備一種高緻密度的異質納米線；再次，模板原位化學一步合成法中，利用有機s源受熱分解的特性，來控制S2_離子的釋放速度，從而間接控制MS納米線的生長過程，以便使納米線具有更好的緻密度和更有序的結構(NiS可在後期的高溫處理過程中氧化為NiO)。3、由於本實用新型的核心結構為由TiA納米管陣列和貫穿TiA納米管的NiO納米線構成的納米同軸電纜異質結陣列，具有外量子效率和靈敏度高、體積小巧等諸多優點。4、本實用新型所述的製備方法具有如下特徵納米管陣列製備工藝簡便成熟，可採用目前普遍應用的陽極氧化技術製得，鈦源為比較便宜的鈦鉬，而鎳源為便宜且易於購買的硝酸鎳。製造過程無需昂貴的製造設備。因基材NiO和TiO2禁帶寬度均在3. OeV以上，所以所製備的探測器只對波長短於380nm的紫外光具有高靈敏度的響應輸出，可避免昂貴濾波片的使用。5、本實用新型採用寬帶隙半導體材料(Eg > 3. OeV)NiO納米線和TW2納米管陣列分別作為P、N型材料製成納米同軸電纜異質結，並將大量同軸電纜異質結平行排列製成陣列，利用此MOOTW2納米同軸電纜異質結陣列作為光敏層製備紫外光探測器6、本實用新型的NiO納米線和TW2納米管具有比普通納米多晶薄膜更為有序的線狀結構，它們分別充當了光生電子和空穴的快速輸運通道。最終，在高效分離和快速傳輸的雙重作用下，光生電子-空穴對的分離效率得到顯著提高。因此，探測器光響應速度快， 響應度高。

[0023]本實用新型共有附圖4張，其中圖1是納米同軸電纜異質結陣列基紫外光探測器剖面示意圖。圖2是未製備P型歐姆電極的納米同軸電纜異質結陣列基紫外光探測器平面示意圖。圖3是NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列水平剖面示意圖。圖4是NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列豎直剖面示意圖。圖中，1、基底，2、導電薄膜，3、NiOOTiO2納米同軸電纜異質結陣列，4、P型歐姆電極，5、N型歐姆電極，301、TiO2納米管，302、NiO納米線。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步地描述。如圖1-4所示，一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，包括基底1、導電薄膜2，所述的導電薄膜2位於基底1上；所述的基底1是玻璃基底1、金屬基底1或矽基底1，所述的導電薄膜2上有作為紫外光吸收層的NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3和至少一個N型歐姆電極5，所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3上有至少一個P型歐姆電極4 ；所述的MOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3為TW2納米管301陣列和填充於TW2納米管301內的NiO納米線302構成，所述的TW2納米管301陣列由生長方向垂直於導電薄膜2的TW2納米管301平行排列構成， 所述的每一根TiO2納米管301內均生長有一根NiO納米線302。所述的導電薄膜2為氧化銦錫ITO導電薄膜2或摻氟SnA FTO導電薄膜2。所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極 5為點狀結構或環形結構或曲線結構。本實用新型的製備方法，包括以下步驟A、對基底1進行清潔處理；B、在清潔處理後的基底1上製備導電薄膜2，獲得導電基底1，並對導電基底1進行清潔處理；C、在導電薄膜2上製備NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3，所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3的面積小於導電薄膜2的面積；所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3的製備方法包括以下步驟Cl、以高純Ti片為基材，首先製備一系列垂直於Ti片所在平面的TW2納米管301， 使所製得的TiA納米管301平行排列構成TiA納米管301陣列；C2、對所述TW2納米管301陣列進行預處理，除去Ti基底1，製得獨立雙通TW2納米管301陣列薄膜。C3、以所述獨立雙通TW2納米管301陣列薄膜為模板，在雙通TW2納米管301內製備結構緻密的NiO納米線302，構成MOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3 ；D、在NiOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3上製備P型歐姆電極4 ；E、在導電薄膜2上製作N型歐姆電極5。本實用新型所述的基底1厚度為0. 5-2mm ；導電薄膜2為半導體導電薄膜2或金屬導電薄膜2，厚度為0. 5-1 μ m ；NiOiTiO2納米同軸電纜異質結陣列3厚度為0. 5-100 μ m， 其中Τ 02納米管301長度為0. 05-100 μ m,電子濃度大於1 X IO1W3jNiO納米線302長度為0. 05-100 μ m，自由載流子濃度小於1 X IO1W30[0041]本實用新型所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點狀結構或環形結構或曲線結構，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料製得，厚度為0. 1-5 μ m。本實用新型所述的TW2納米管301陣列的製備方法包括陽極氧化法、模板法、水熱法、沉積法和磁控濺射法；所述的對TiA納米管301陣列進行預處理的方法包括高壓輔助陽極氧化法、化學腐蝕法；所述的MO納米線302的製備方法包括模板原位化學一步合成法、模板-電泳沉積法、原子級氣相沉積法、溶膠-凝膠法；所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5的製備方法包括濺射工藝、氣相沉積工藝、離子鍍工藝、蒸鍍工藝。本實用新型所述的高壓輔助陽極氧化法製備獨立雙通TW2納米管301陣列的步驟如下以Ti片為基材，並作為陰極，鉬片為陽極，施加20-80V電壓，進行高壓陽極氧化，氧化時間持續20-240min。氧化結束後，對陰極施加70-130V的脈衝電壓，使氧化後的TW2納米管301陣列脫離Ti基底1，得到獨立雙通TW2納米管301陣列薄膜。本實用新型所述的模板原位化學一步合成法製備MOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3的步驟如下以獨立雙通TW2納米管301陣列薄膜為模板。將獨立雙通TW2納米管 301陣列薄膜置於雙單元反應器的反應通道處，確保反應器兩單元被獨立雙通TiA納米管 301陣列薄膜完全隔離。反別在兩單元內注入一定濃度的硝酸鎳和含S有機醇鹽(硫脲或二硫代乙醯胺等)的醇溶液。將反應器置於油浴鍋中，向反應溶液內通入氬氣，防止S2—氧化。 使含S有機醇鹽在一定溫度下發生分解，緩慢釋放S2_離子。溶液中的Ni2+離子和S2_離子通過雙向擴散浸入TiA納米管301內，在高溫下管內原位反應生成NiS晶核，並生長成NiS 納米線，隨後將含有NiS納米線的TW2納米管301陣列經400-100(TC高溫焙燒，形成NiO 納米線302，最終製得MOOTW2納米同軸電纜異質結陣列3。本實用新型利用偏置電壓電路向紫外探測器提供反向偏置電壓。當紫外光照射到探測器石英玻璃一側時，NiOOT^2納米同軸電纜異質結陣列3內產生光生電子-空穴對，在內建電場的作用下，光生電子、空穴分別向TW2納米管301和NiO納米線302快速漂移，並經P型歐姆電極4和N型歐姆電極5分別傳入外電路，產生光電流信號，從而達到紫外光探測的目的。
權利要求1.一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，包括基底(1)、導電薄膜0)，所述的導電薄膜( 位於基底(1)上；所述的基底(1)是玻璃基底(1)、金屬基底(1)或矽基底 (1)，其特徵在於所述的導電薄膜(2)上有作為紫外光吸收層的NiOOTiO2納米同軸電纜異質結陣列⑶和至少一個N型歐姆電極(5)，所述的NiOOTiO2納米同軸電纜異質結陣列(3) 上有至少一個P型歐姆電極；所述的NiOOTiO2納米同軸電纜異質結陣列(3)為1102納米管(301)陣列和填充於TiO2納米管(301)內的NiO納米線(302)構成，所述的TiO2納米管(301)陣列由生長方向垂直於導電薄膜(2)的TiO2納米管(301)平行排列構成，所述的每一根TiO2納米管(301)內均生長有一根NiO納米線(302)。
2.根據權利要求1所述的一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，其特徵在於 所述的導電薄膜O)為氧化銦錫ITO導電薄膜(2)或摻氟SnO2FTO導電薄膜(2)。
3.根據權利要求1所述的一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，其特徵在於 所述的P型歐姆電極(4)和N型歐姆電極(5)為點狀結構或環形結構或曲線結構。
專利摘要本實用新型公開了一種納米同軸電纜異質結陣列基紫外探測器，包括基底、導電薄膜，所述的導電薄膜上有作為紫外光吸收層的NiO@TiO2納米同軸電纜異質結陣列和至少一個N型歐姆電極，所述的NiO@TiO2納米同軸電纜異質結陣列上有至少一個P型歐姆電極；所述的NiO@TiO2納米同軸電纜異質結陣列為TiO2納米管陣列和填充於TiO2納米管內的NiO納米線構成。由於本實用新型的核心結構為由TiO2納米管陣列和貫穿TiO2納米管的NiO納米線構成的納米同軸電纜異質結陣列，可以充分提高光生載流子的利用率，具有外量子效率和靈敏度高、體積小巧等諸多優點。
文檔編號H01L31/109GK202049984SQ201120162340
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者付姚, 張映輝, 彭勇, 羅昔賢, 邢明銘 申請人:大連海事大學