基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器及方法與流程
2023-04-26 11:29:52
本發明涉及紫外探測技術領域，特別是一種基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器及其製備方法。
背景技術：
隨著摩登電子時代的發展，比如電子皮膚、可伸縮電路器件等柔性可穿戴的電子器件在我們日常生活中起到了越來越大的作用。由於纖維本身具有輕質、柔韌並且容易編織的特點，纖維狀的能源器件已經被廣泛研究，包括纖維狀超級電容器、鋰電池和太陽能電池等，但是這些能源器件主要是為了相應的功能性器件服務，比如顯示、照明、監測和傳感等。傳感器是信息傳輸很重要的一部分，而光探測器作為傳感器的一員，在軍事探測、生物傳感、光通信等方面已經有著極為廣泛的應用。因此，柔性可編織的纖維狀探測器也急需研究，但其中存在的問題也很明顯，就是纖維的曲面結構，增加了器件功能層的接觸缺陷，這極大影響了器件性能。而傳統的純無機結構功能層以及使用的線狀外電極使得這一缺陷更加嚴重，這從Ko等(Nanoscale,2015,7,2735-421)和Zhang等(ACS Nano,2013,7,4537-4544)已有的研究結果中就可以看出來。因此，迫切需要研究出一種能夠優化接觸界面的纖維狀紫外光探測，而現有的技術還沒有利用界面優化這樣的方式解決纖維狀光電子器件中存在的接觸缺陷問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於界面優化的纖維狀紫外光探測器及其製備方法，以期可以有效地提高纖維狀探測器的響應速度、開關比等性能。
實現本發明目的的技術解決方案為：本發明提供的基於界面優化的纖維狀紫外光探測器，由在低功函數的金屬絲基底上生長的氧化鋅納米棒陣列作為光導層，外面覆蓋一層有機聚合物聚乙烯咔唑(PVK)用來平滑陣列表面，形成緊密接觸且形成PN結有利於驅動光生載流子的分離與傳輸，最外層包裹大面積的單層石墨烯薄膜作為表面電極，同時引出一根與石墨烯直接接觸的細銀絲導線便於應用。
本發明提供的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器的製備方法，具體步驟為：
(1)取功函數較低的細金屬絲，分別用去離子水跟無水乙醇超聲清洗30分鐘並乾燥，然後用原子層沉積技術在金屬絲表面沉積一定厚度的氧化鋅薄膜作為種子層，繼而用水熱法在種子層表面沿垂直方向生長氧化鋅納米棒陣列。
(2)將生長有氧化鋅納米棒陣列的金屬絲浸泡在聚乙烯咔唑(PVK)的氯苯溶液中，浸泡一段時間後取出晾乾，則在氧化鋅陣列表面覆蓋了一層平整光滑的聚乙烯咔唑(PVK)薄層。
(3)轉移單層石墨烯薄膜浮於水面，將一根細銀絲與上述表面有氧化鋅陣列和聚乙烯咔唑功能化處理後的金屬絲平行放置並固定好，繼而從水中撈取石墨烯薄膜，並使使石墨烯薄膜將金屬絲都包裹住，然後一定溫度下烘乾，器件便製備完成。
與已有技術相比，本發明的有益效果為：1)本發明使用氧化鋅納米棒陣列和聚乙烯咔唑(PVK)雜化相較於傳統的純無機纖維狀探測器而言，其層與層之間的接觸更為緊密，表面更為光滑，缺陷更少，對光生載流子的束縛會更少。2)本發明使用的單層石墨烯薄膜作為表面電極，與細金屬絲表面的各功能層之間是面接觸，這與傳統纏繞金屬絲電極形成的線接觸相比，接觸面積更大，更利於載流子傳輸。並且石墨烯因為超柔的特性，與功能層之間的接觸更為緊密，接觸缺陷更少，進一步提升了載流子的傳輸。最終使纖維狀探測器獲得更快的響應速度和更高的開關比。
附圖說明
圖1為本發明基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器的結構示意圖，其中圖(a)為全視圖，圖(b)為透視圖。
圖2為本發明中實施例1所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器的微觀結構SEM圖。其中圖(a)為製備的纖維狀光探測器掃描電鏡全視圖，圖(b)為石墨烯與聚乙烯咔唑層交界處的掃描電鏡圖，圖(c)為氧化鋅陣列表面的聚乙烯咔唑層的掃描電鏡圖，圖(d)為氧化鋅陣列與聚乙烯咔唑層截面的掃描電鏡圖，圖(e)為製備的纖維狀光探測器的側視圖，圖(f)為石墨烯與聚乙烯咔唑層交界處放大的掃描電鏡圖。
圖3為本發明中實施例1所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器在無光和波長325nm的紫外光照射下的電流與電壓關係特性曲線。
圖4為本發明中實施例1所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器在波長325nm、光能量為0.5mW/cm2的紫外光照射，偏壓為-0.5V下不彎曲和彎曲5％條件下的光響應曲線。
圖5為本發明中實施例2所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器在無光和波長325nm的紫外光照射下的電流與電壓關係特性曲線。
圖6為本發明中實施例2所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器在波長325nm、光能量為0.5mW/cm2的紫外光照射，偏壓為-0.5V下的光響應曲線。
具體實施方式
結合附圖，本發明的一種基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器，金屬絲1作為基底，基底的表面沉積均勻緻密的氧化鋅薄膜2，氧化鋅薄膜表面垂直方向生長有氧化鋅納米棒陣列3，氧化鋅納米棒陣列外表面包覆聚乙烯咔唑層4，聚乙烯咔唑層表面設置一根與金屬絲襯底平行的銀絲5，單層石墨烯薄膜設置在上述結構的最外層6。
所述金屬絲包括銀絲、鋁絲、鈦絲或鋅絲，直徑為0.1mm～1mm。
所述原子層沉積的氧化鋅薄膜厚度為50nm～200nm。
所述氧化鋅納米棒陣列中氧化鋅納米棒的長度為500nm～4μm，直徑為50nm～200nm，相鄰氧化鋅納米棒的間距為50～150nm。
所述聚乙烯咔唑層厚度為100nm～300nm。
所述銀絲的直徑為25μm～100μm。
一種製造上述纖維狀紫外光探測器的方法，包括以下步驟：
步驟1、分別用去離子水、無水乙醇對金屬絲超聲清洗並乾燥，然後用原子層沉積方法在金屬絲表面沉積氧化鋅薄膜作為種子層，繼而用水熱法在種子層表面沿垂直方向生長氧化鋅納米棒陣列；
所述氧化鋅薄膜的厚度為50nm～200nm；氧化鋅納米棒陣列中氧化鋅納米棒的長度為500nm～4μm，直徑為50nm～200nm，相鄰氧化鋅納米棒的間距為50～150nm；所述金屬絲包括銀絲、鋁絲、鈦絲或鋅絲，直徑為0.1mm～1mm。
步驟2、將生長有氧化鋅納米棒陣列的金屬絲浸泡在聚乙烯咔唑的氯苯溶液中，浸泡後取出晾乾，則在氧化鋅納米棒陣列表面覆蓋了一層平整光滑的聚乙烯咔唑薄層；
所述聚乙烯咔唑的氯苯溶液濃度為10g/L～30g/L，浸泡時間2h～24h，晾乾後薄膜厚度為100nm～300nm。
步驟3、轉移單層石墨烯薄膜浮於水面，將一根銀絲與上述處理後的金屬絲平行放置並固定好，繼而從水中撈取石墨烯薄膜，並使石墨烯薄膜將金屬絲都包裹住，然後烘乾，器件便製備完成。
所述銀絲的直徑為25μm～100μm，烘乾溫度為40～80℃。
本發明使用氧化鋅納米棒陣列和聚乙烯咔唑(PVK)雜化相較於傳統的純無機纖維狀探測器而言，其層與層之間的接觸更為緊密，表面更為光滑，缺陷更少，對光生載流子的束縛會更少。
下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述。
實施例1
參見圖1，本實施例基於一種界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器具有如下結構：以細金屬絲作為基底，在基底的表面沉積有一層均勻緻密的氧化鋅薄膜，以氧化鋅薄膜為種子層在金屬絲基底的表面沿垂直方向生長有氧化鋅納米棒陣列，在上述納米棒表面包覆一層聚乙烯咔唑(PVK)，在PVK表面有一根與細金屬絲襯底平行的細銀絲，最後功能化的金屬絲與細銀絲被單層石墨烯薄膜緊緊包裹。
本實施例基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器的製備方法是按照如下步驟進行：
(1)取直徑為0.5mm的鋅絲，分別用去離子水、無水乙醇超聲清洗30分鐘並乾燥，然後利用原子層沉積技術在金屬鋅絲表面沉積厚度為150nm厚度的氧化鋅薄膜。之後進一步通過水熱法在表面沿垂直方向生長氧化鋅納米棒陣列，氧化鋅納米棒的長度為3.5μm，直徑為150nm。
(2)將生長有氧化鋅納米棒陣列的金屬鋅絲浸泡在聚乙烯咔唑(PVK)的氯苯溶液中，其濃度為10g/L，浸泡時間為12h，取出後晾乾，在表面覆蓋了平整的聚乙烯咔唑(PVK)薄層，其厚度為180nm。
(3)轉移單層石墨烯薄膜浮於水面，將一根直徑25μm細銀絲與上述功能化處理後的金屬絲平行放置並固定好，進一步從水中撈取石墨烯薄膜使其將金屬絲都包裹住，然後50℃下烘乾，器件便製備完成。
本實施例所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器，其微觀結構如圖2所示。從圖中可以看出，聚乙烯咔唑(PVK)在氧化鋅陣列表面形成一層光滑平整的薄膜，超柔的石墨烯薄膜緊緊地包裹住功能化的金屬絲。氧化鋅納米棒陣列與聚乙烯咔唑之間的界面接觸、聚乙烯咔唑與石墨烯之間的界面接觸都非常緻密。
在無光下和325nm波段不同光強的紫外光照射下，探測器的電流與電壓關係特性曲線如圖3所示。從圖中看出所製備的器件在無光條件下表現出典型整流特性，這是由於氧化鋅與聚乙烯咔唑(PVK)形成的PN結造成的內建電場所導致。當波長為325nm光能量為0.05mW/cm2的紫外光照射時就產生了明顯的光電流，體現了器件優越的光電探測特性。
圖4為本實施例所製備的纖維狀紫外光探測器在波長325nm、光能量為0.5mW/cm2的紫外光照射，偏壓為-0.5V下不彎曲和彎曲5％條件下的光響應曲線；從圖中可以看出器件很穩定，可重複地反映出對光的開關，並且體現了器件良好的柔性。
實施例2
參見圖1，本實施例基於一種界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器具有如下結構：以細金屬絲作為基底，在基底的表面沉積有一層均勻緻密的氧化鋅薄膜，以氧化鋅薄膜為種子層在金屬絲基底的表面沿垂直方向生長有氧化鋅納米棒陣列，在上述納米棒表面包覆一層聚乙烯咔唑(PVK)，在PVK表面有一根與細金屬絲襯底平行的細銀絲，最後功能化的金屬絲與細銀絲被單層石墨烯薄膜緊緊包裹。
本實施例基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器的製備方法是按照如下步驟進行：
(1)取直徑為1mm的鋅絲，分別用去離子水、無水乙醇超聲清洗30分鐘並乾燥，然後利用原子層沉積技術在金屬鋅絲表面沉積厚度為100nm厚度的氧化鋅薄膜。之後進一步通過水熱法在表面沿垂直方向生長氧化鋅納米棒陣列，氧化鋅納米棒的長度為2μm，直徑為100nm。
(2)將生長有氧化鋅納米棒陣列的金屬鋅絲浸泡在聚乙烯咔唑(PVK)的氯苯溶液中，其濃度為20g/L，浸泡時間為24h，取出後晾乾，在表面覆蓋了平整的聚乙烯咔唑(PVK)薄層，其厚度為250nm。
(3)轉移單層石墨烯薄膜浮於水面，將一根直徑100μm細銀絲與上述功能化處理後的金屬絲平行放置並固定好，進一步從水中撈取石墨烯薄膜使其將金屬絲都包裹住，然後50℃下烘乾，器件便製備完成。
本實施例所製備的基於界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑(PVK)/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器，在無光下和325nm波段的紫外光照射下，探測器的電流與電壓關係特性曲線如圖5所示。從圖中看出所製備的器件在無光條件下表現出典型整流特性，這是由於氧化鋅與聚乙烯咔唑(PVK)形成的PN結造成的內建電場所導致。當波長為325nm、光能量0.5mW/cm2的紫外光照射時就產生了明顯的光電流，體現了器件優越的光電探測特性。
圖6為本實施例所製備的纖維狀紫外光探測器在波長325nm、光能量為0.5mW/cm2的紫外光作為光源下的光響應曲線；從圖中可以看出器件很穩定，可重複地反映出光的開關。