一種基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，自下而上依次有透明導(dǎo)電柔性襯底、ZnO籽晶層、ZnO納米陣列、電解質(zhì)層、Pt導(dǎo)電層和柔性襯底。其制備方法為采用激光脈沖沉積法在透明導(dǎo)電柔性襯底上生長(zhǎng)ZnO籽晶層，再在其上水熱生長(zhǎng)ZnO納米陣列；采用電子束蒸發(fā)法在柔性襯底上蒸鍍Pt導(dǎo)電層；并將其覆蓋在ZnO納米陣列上，使兩者之間形成20～60μm的空腔；最后將電解質(zhì)注入空腔，密封制成基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。相比于傳統(tǒng)的紫外探測(cè)器，本發(fā)明具有無(wú)需外加偏壓、響應(yīng)速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可攜帶、可折疊等優(yōu)勢(shì)。此外，制備成本低，易于實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)，在軍事、民用以及在小型便攜式電器和某些特殊場(chǎng)合如野外有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指一種柔性的且自驅(qū)動(dòng)的ZnO基紫外波段探測(cè)器及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)的研究具有重要的實(shí)際意義。紫外輻射通常是燃燒的產(chǎn)物，火箭及噴射式飛機(jī)的尾焰，碳?xì)浠衔锏娜紵寄墚a(chǎn)生較強(qiáng)的紫外輻射。在生活環(huán)境中，太陽(yáng)是最強(qiáng)大的紫外輻射源，但經(jīng)過(guò)大氣吸收衰減后，在地面和近地大氣中存在著太陽(yáng)輻射的光譜盲區(qū)，處在大氣紫外窗口譜區(qū)的紫外線因大氣散射而呈現(xiàn)均勻的背景，如能有效利用這一光譜盲區(qū)便能探測(cè)出非太陽(yáng)的紫外輻射源，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，在軍事和民用等方面具有廣泛的應(yīng)用。在軍事上，導(dǎo)彈預(yù)警、制導(dǎo)、紫外通訊、生化分析等；在民用上，如明火探測(cè)、生物醫(yī)藥的分析、臭氧監(jiān)測(cè)、海上油監(jiān)、太陽(yáng)照度監(jiān)測(cè)、公安偵察等。目前應(yīng)用最廣的是紫外真空二極管、紫外光電倍增管等，然而，關(guān)于自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器的報(bào)道還很少，尤其是柔性襯底光化學(xué)電池結(jié)構(gòu)的自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器還沒(méi)有報(bào)道。
[0003]ZnO是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37 eV，在紫外探測(cè)方面受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。ZnO具有制備方法多樣、耐高溫、外延溫度低、制備成本低、耐輻射性強(qiáng)和帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的薄膜紫外探測(cè)器，柔性襯底自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器更具有無(wú)需外加偏壓、響應(yīng)速度快、響應(yīng)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可攜帶、可折疊等優(yōu)勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種制備成本低、工藝簡(jiǎn)單且性能優(yōu)良的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，自下而上依次有透明導(dǎo)電柔性襯底、ZnO籽晶層、ZnO納米陣列、電解質(zhì)層、Pt導(dǎo)電層和柔性襯底。
[0006]通常，ZnO籽晶層的厚度為20?100納米，ZnO納米陣列的厚度為1?4微米；Pt導(dǎo)電層的厚度為60?100納米；電解質(zhì)層在ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間形成的20?60微米空腔內(nèi)。
[0007]上述的電解質(zhì)可以是去離子水。所述的透明導(dǎo)電柔性襯底可以是鍍有ΙΤ0導(dǎo)電膜的 PET。
[0008]基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟:
1)將經(jīng)清洗處理的透明導(dǎo)電柔性襯底放入激光脈沖沉積設(shè)備，以ZnO陶瓷靶為靶材，在20?60 °C，1?3 Pa條件下，生長(zhǎng)ZnO籽晶層；然后放入水熱反應(yīng)釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在80?95 °C保溫4?10 h，在ZnO籽晶層上生長(zhǎng)ZnO納米陣列；
2)將經(jīng)清洗處理的柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設(shè)備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長(zhǎng)速度為0.7?1.1埃米/秒，在柔性襯底上生長(zhǎng)Pt導(dǎo)電層；
3)將步驟2)生長(zhǎng)有Pt導(dǎo)電層的柔性襯底覆蓋在步驟1)的ZnO納米陣列上，使ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間相距20?60微米，先用密封劑將三個(gè)側(cè)面密封，然后將電解質(zhì)注Λ ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間的空腔內(nèi)，再用密封劑密封剩下的一個(gè)側(cè)面，得到基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。
[0009]工作原理:紫外光從長(zhǎng)有ZnO納米陣列的透明導(dǎo)電柔性襯底背面一側(cè)入射，電解液和ZnO納米陣列接觸后，由于η型ZnO納米陣列的費(fèi)米能級(jí)要比電解質(zhì)的費(fèi)米能級(jí)高，因此電子將從ZnO納米陣列一側(cè)流向電解質(zhì)的一側(cè)，造成能帶朝電解液這側(cè)向上彎曲，納米陣列和電解質(zhì)的界面處形成了載流子耗盡層即形成了內(nèi)建電場(chǎng)。在紫外光照射下，電子空穴對(duì)被激發(fā)，電子空穴在內(nèi)建電場(chǎng)作用下快速分離，電子向氧化鋅一側(cè)運(yùn)動(dòng)到達(dá)工作電極后經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)對(duì)電極，空穴向電解液一側(cè)運(yùn)動(dòng)，在Pt的催化下，電子與空穴與電解液發(fā)生一系列可循環(huán)氧化還原反應(yīng)，構(gòu)成回路，因此不需要外加電壓即可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
1)本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，制備成本低且易于實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)；
2)無(wú)需外加偏壓、響應(yīng)速度快、響應(yīng)靈敏度高；
3)通過(guò)對(duì)ZnO納米線進(jìn)行摻雜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段紫外線的探測(cè)；
4)整個(gè)器件可以自由彎曲，器件輕質(zhì)，可做成可穿戴產(chǎn)品，攜帶方便，可以在有特殊需要的場(chǎng)合下使用。
[0011]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中:1為透明導(dǎo)電柔性襯底、2為ZnO籽晶層、3為ZnO納米陣列、4為電解質(zhì)層、5為Pt導(dǎo)電層、6為柔性襯底。

【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明。
[0015]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，自下而上依次有透明導(dǎo)電柔性襯底1、ZnO籽晶層2、ZnO納米陣列3、電解質(zhì)層4、Pt導(dǎo)電層5和柔性襯底6。
[0016]實(shí)施例1
1)將經(jīng)清洗處理的鍍有ΙΤ0導(dǎo)電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設(shè)備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度60 °C，壓力為1 Pa，生長(zhǎng)厚度為50納米的ZnO籽晶層；然后放入水熱反應(yīng)釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1: 1，在90 °C保溫4 h，在ZnO籽晶層上生長(zhǎng)長(zhǎng)度為2微米的ZnO納米陣列；
2)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設(shè)備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長(zhǎng)速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長(zhǎng)Pt導(dǎo)電層，厚度為100 nm；
3)將步驟2)生長(zhǎng)有Pt導(dǎo)電層的PET覆蓋在步驟1)的ZnO納米陣列上，使ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間相距20微米，先用密封劑將三個(gè)側(cè)面密封，然后將去離子水注入ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間形成的空腔內(nèi)，再用密封劑密封剩下的一個(gè)側(cè)面，得到基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。
[0017]本例制得的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器響應(yīng)速度為0.13 s。
[0018]實(shí)施例2
1)將經(jīng)清洗處理的鍍有ΙΤ0導(dǎo)電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設(shè)備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度45 °C，壓力為2 Pa，生長(zhǎng)厚度為20納米的ZnO籽晶層；然后放入水熱反應(yīng)釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1: 1，在95 °C保溫7 h，在ZnO籽晶層上生長(zhǎng)長(zhǎng)度為4微米的ZnO納米陣列；
2)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設(shè)備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長(zhǎng)速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長(zhǎng)Pt導(dǎo)電層，厚度為60 nm；
3)將步驟2)生長(zhǎng)有Pt導(dǎo)電層的PET覆蓋在步驟1)的ZnO納米陣列上，使ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間相距40微米，先用密封劑將三個(gè)側(cè)面密封，然后將去離子水注入ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間的空腔內(nèi)，再用密封劑密封剩下的一個(gè)側(cè)面，得到基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。
[0019]本例制得的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器響應(yīng)速度為0.17 s。
[0020]實(shí)施例3
1)將經(jīng)清洗處理的鍍有ΙΤ0導(dǎo)電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設(shè)備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度20 °C，壓力為3 Pa，生長(zhǎng)厚度為100納米的ZnO籽晶層；然后放入水熱反應(yīng)釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1: 1，在80°C保溫10 h，在ZnO籽晶層上生長(zhǎng)長(zhǎng)度為1微米的ZnO納米陣列；
2)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設(shè)備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長(zhǎng)速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長(zhǎng)Pt導(dǎo)電層，厚度為80 nm；
3)將步驟2)生長(zhǎng)有Pt導(dǎo)電層的PET覆蓋在步驟1)的ZnO納米陣列上，使ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間相距60微米，先用密封劑將三個(gè)側(cè)面密封，然后將去離子水注入ZnO納米陣列和Pt導(dǎo)電層之間的空腔內(nèi)，再用密封劑密封剩下的一個(gè)側(cè)面，得到基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。
[0021]本例制得的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器響應(yīng)速度為0.15 s。
【權(quán)利要求】
1.一種基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，其特征是自下而上依次有透明導(dǎo)電柔性襯底(I)、ZnO籽晶層(2)、ZnO納米陣列(3)、電解質(zhì)層(4)、Pt導(dǎo)電層(5)和柔性襯底(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，其特征是所述的ZnO籽晶層(2)的厚度為20?100納米，ZnO納米陣列(3)的厚度為f 4微米，Pt導(dǎo)電層(5 )的厚度為60?100納米；電解質(zhì)層(4 )在ZnO納米陣列(3 )和Pt導(dǎo)電層(5 )之間形成的20?60微米空腔內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，其特征是所述的電解質(zhì)層是去離子水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器，其特征是所述的透明導(dǎo)電柔性襯底(I)是鍍有ITO導(dǎo)電膜的PET。
5.制備權(quán)利要求1所述的基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將經(jīng)清洗處理的透明導(dǎo)電柔性襯底(I)放入激光脈沖沉積設(shè)備，以ZnO陶瓷靶為靶材，在20?60 °C，1?3 Pa條件下，生長(zhǎng)ZnO籽晶層(2);然后放入水熱反應(yīng)釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在80?95 °〇保溫4?10 h，在ZnO籽晶層上生長(zhǎng)ZnO納米陣列(3)； 2)將經(jīng)清洗處理的柔性襯底(6)放入電子束蒸發(fā)設(shè)備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長(zhǎng)速度為0.7?1.1埃米/秒，在柔性襯底(6)上生長(zhǎng)Pt導(dǎo)電層(5)； 3)將步驟2)生長(zhǎng)有Pt導(dǎo)電層的柔性襯底覆蓋在步驟I)的ZnO納米陣列上，使ZnO納米陣列(3)和Pt導(dǎo)電層(5)之間相距20?60微米，先用密封劑將三個(gè)側(cè)面密封，然后將電解質(zhì)(4)注入ZnO納米陣列(3)和Pt導(dǎo)電層(5)之間的空腔內(nèi)，再用密封劑密封剩下的一個(gè)側(cè)面，得到基于柔性襯底的自驅(qū)動(dòng)ZnO基紫外探測(cè)器。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK104465112SQ201410754808
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】曾溢宇, 潘新花, 戴文, 葉志鎮(zhèn) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)