專利名稱：一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紫外光探測器技術(shù)，特別是一種用于紫外光探測的TiO2納米 線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器。
背景技術(shù)：
紫外光探測器是一種在軍、民領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用的光電探測器件。寬帶隙半導(dǎo) 體材料，如(Al)GaN, SiC、ZnO、金剛石等，因其優(yōu)異的紫外光選擇吸收性，優(yōu)秀的熱導(dǎo)、熱穩(wěn) 定性和化學(xué)惰性，已成為替代價(jià)格昂貴、適用范圍有限的光電倍增管和傳統(tǒng)硅基探測器的 首選材料。然而，盡管單晶薄膜器件的光電性能非常優(yōu)異，但制備高質(zhì)量的單晶半導(dǎo)體薄膜 卻一直存在很多難題需要解決，如所需設(shè)備昂貴，生長、摻雜技術(shù)難度高等。這些因素使得 單晶半導(dǎo)體薄膜紫外光探測器的制造成本仍然很高，無法得到普及應(yīng)用。隨著納米材料和納米光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，制備工藝更為簡易的納米多晶薄膜 結(jié)型器件的出現(xiàn)，為低成本、高性能紫外光探測器的制造工藝開辟了全新的道路，相關(guān)研究 也已成為新的研究熱點(diǎn)。有關(guān)納米結(jié)構(gòu)薄膜紫外光探測器的研究主要集中在納米ZnO和納 米TiO2薄膜上。特別是近年來已廣泛應(yīng)用于染料敏化太陽能電池、光催化分解污染物、自 清潔薄膜等領(lǐng)域的納米多晶TiO2薄膜由于具有非常強(qiáng)的紫外光吸收特性，更是引起了人們 極大的興趣。這種材料不僅耐高溫、耐用性強(qiáng)、物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且制備工藝難度較 低，采用常規(guī)液相方法(如溶膠-凝膠法)即可制得高質(zhì)量、性能穩(wěn)定的薄膜材料。由于納 米TiO2薄膜在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此具有非常成熟的制備工藝。上述這些優(yōu)點(diǎn)使得納 米多晶TiO2薄膜成為一種用于制備低成本、高性能紫外光探測器的理想材料。目前，國內(nèi)外研究人員以納米多晶TiO2薄膜為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)構(gòu)的紫外光 電探測器件，包括液結(jié)、肖特基結(jié)、PN結(jié)型紫外光探測器，并對它們的光電性能進(jìn)行了較為 詳細(xì)的研究，如《科學(xué)通報(bào)》2006. 51 (8)發(fā)表了付姚、曹望和合著的《用于紫外光傳感器的 透明納米TiO2薄膜的制備》，《功能材料與器件學(xué)報(bào)》2005，11(2)發(fā)表了張利偉、楊仕娥、姚 寧等合著的《用于紫外光電導(dǎo)探測器的TiO2薄膜研究》。然而，盡管有關(guān)納米多晶TiO2薄膜 紫外光探測器的研究取得了一定的進(jìn)展，但從所獲器件性能來看，仍處于初級(jí)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(yīng)用。經(jīng)過分析不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)多晶TiO2薄膜光電性能之所以無法得到飛躍性的提高， 其根本原因在于多晶薄膜內(nèi)過高的晶界和缺陷密度嚴(yán)重阻礙了光生電子向?qū)щ娀谆蚪?屬電極的擴(kuò)散，同時(shí)大量缺陷作為光生電子-空穴對的復(fù)合中心也嚴(yán)重降低了光生載流子 的壽命。因此，即使制成結(jié)型器件，其光電性能也難以獲得大幅提升。而這些問題與傳統(tǒng)多 晶TiO2薄膜晶粒間較大的無序度有很大關(guān)系。如果能夠?qū)⒓{米TiO2多晶薄膜的晶粒高度 有序地排列起來，甚至在薄膜內(nèi)形成光生載流子傳輸?shù)膶Ｓ猛ǖ溃敲磩荼貢?huì)使薄膜中光 生載流子在傳輸中受到的阻礙大幅降低，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(dá)到單晶器件的水平。實(shí)際上，利用高度有序化的納米多晶薄膜制備光電子器件已成為近年來熱門的研究課題之一。有關(guān)納米管陣列、納米線陣列、光子晶體應(yīng)用于太陽能電池、氣體傳感器、光催 化等領(lǐng)域的研究均取得了不錯(cuò)的效果?！禔pplied PhysicsLetters)) 2008. 93 :133107發(fā)表 T C. J. Lin,ff. Y. Yu and S. H. Chien合著的〈〈Roughconical-shaped Ti02_nanotube arrays for flexible backilluminated dye-sensitizedsolar eel Is〉〉，他 fl、]白勺研究結(jié)果 iiE實(shí)，具 有高度有序結(jié)構(gòu)的納米多晶薄膜比傳統(tǒng)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，高度有序化的納米結(jié)構(gòu)雖然對提高光生載流子的傳輸速率有很大幫助，但 其對光生電子_空穴對的分離卻無直接作用。因此，僅憑Ti02單質(zhì)材料構(gòu)成有序化薄膜很 難獲得理想的高光電性能。雖然，通過一些簡單措施，如離子摻雜、半導(dǎo)體敏化等，能夠在一 定程度上提高薄膜光電性能，但其作用效果最多能夠獲得50%左右性能提高，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 夠的。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型要設(shè)計(jì)一種成本低廉、具有高光電 性能且性能穩(wěn)定的納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外 光探測器，包括玻璃基底、導(dǎo)電薄膜，所述的導(dǎo)電薄膜位于玻璃基底上；所述的玻璃基底是 石英玻璃基底，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為紫外光吸收層的Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列和至 少一個(gè)N型歐姆電極，所述的Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列上有至少一個(gè)P型歐姆電極。本實(shí)用新型所述的導(dǎo)電薄膜為IT0導(dǎo)電薄膜或FT0導(dǎo)電薄膜。本實(shí)用新型所述的Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列為Ti02納米線陣列和NiO納米線 陣列通過線-線對接構(gòu)成，所述的Ti02納米線陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜的Ti02納米 線平行排列構(gòu)成，且每一根Ti02納米線上端均生長有一根NiO納米線；所述的NiO納米線 陣列由生長在Ti02納米線上端、生長方向與Ti02納米線方向一致的NiO納米線平行排列構(gòu) 成；所述的NiO納米線陣列中的每一根M0納米線均與Ti02納米線陣列中與之位置相同的 一根Ti02納米線相連，構(gòu)成Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)。本實(shí)用新型所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié) 構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果1、由于本實(shí)用新型的核心結(jié)構(gòu)由Ti02納米線陣列和NiO納米線陣列通過線_線 對接構(gòu)成納米線異質(zhì)結(jié)陣列結(jié)構(gòu)，具有外量子效率和靈敏度高、響應(yīng)速度快、暗電流小、體 積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)。2、本實(shí)用新型所述的制備方法具有如下特征納米線陣列制備工藝簡便成熟，可 采用目前普遍用于制備納米線的模板-電泳沉積技術(shù)制得，鈦源為比較便宜的鈦酸四丁 酯、四氯化鈦或硫酸氧鈦，而鎳源為便宜且易于購買的硝酸鎳。所制備的探測器不僅成本低 廉，而且使用壽命長，并且只對波長短于380nm的紫外光具有高靈敏度的響應(yīng)輸出，而對紅 外和可見光沒有任何響應(yīng)，可防止除紫外光以外的其它光源的干擾。3、本實(shí)用新型采用寬帶隙半導(dǎo)體材料(Eg > 3. 0)Ni0納米線和Ti02納米線分別 作為P、N型材料制成納米線異質(zhì)結(jié)，并將大量納米線異質(zhì)結(jié)平行排列制成納米線異質(zhì)結(jié)陣 列，利用此M0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列作為光敏層制備紫外光探測器。由于納米線所提供的傳輸通道可大大提高光生載流子的傳輸速率，而納米線異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場對光生電子_空 穴對的強(qiáng)制分離可顯著降低光生電子_空穴對的復(fù)合幾率，因此，探測器光響應(yīng)速度快，響 應(yīng)度高，穩(wěn)定性好。4、本實(shí)用新型所述的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列具有如下特征=NiO-TiO2納米線 異質(zhì)結(jié)陣列中的TiO2納米線陣列和NiO納米線陣列的厚度可調(diào)，可保證光吸收主要發(fā)生在 空間電荷區(qū)，同時(shí)確保耗盡層電場足夠強(qiáng)，從而有效抑制光生載流子的復(fù)合，提高探測器的 響應(yīng)速度。

本實(shí)用新型共有附圖3張，其中圖1是納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器剖面示意圖。圖2是未制備P型歐姆電極的納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器平面示意圖。圖3是NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列剖面示意圖圖中，1、玻璃基底，2、導(dǎo)電薄膜，3、NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列，4、P型歐姆電極， 5、N型歐姆電極，31、TiO2納米線陣列，32、Ni0納米線陣列，311、TiO2納米線，321、Ni0納米線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-3所示，一種納米線異 質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，包括玻璃基底1、導(dǎo)電薄膜2，所述的導(dǎo)電薄膜2位于玻璃基底 1上；所述的玻璃基底1是石英玻璃基底1，所述的導(dǎo)電薄膜2上有作為紫外光吸收層的 NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列3和至少一個(gè)N型歐姆電極5，所述的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié) 陣列3上有至少一個(gè)P型歐姆電極4。所述的導(dǎo)電薄膜2為ITO導(dǎo)電薄膜2或FTO導(dǎo)電薄 膜2。所述的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列3為TiO2納米線陣列31和NiO納米線陣列32 通過線_線對接構(gòu)成，所述的TiO2納米線陣列31由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜2的TiO2納 米線311平行排列構(gòu)成，且每一根TiO2納米線311上端均生長有一根NiO納米線321 ；所述 的NiO納米線陣列32由生長在TiO2納米線311上端、生長方向與TiO2納米線311方向一 致的NiO納米線321平行排列構(gòu)成；所述的NiO納米線陣列32中的每一根NiO納米線321 均與TiO2納米線陣列31中與之位置相同的一根TiO2納米線311相連，構(gòu)成NiO-TiO2納米 線異質(zhì)結(jié)。所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的制備方法，包括以下步驟A、對玻璃基底1進(jìn)行清潔處理；B、在清潔處理后的玻璃基底1上制備導(dǎo)電薄膜2，獲得導(dǎo)電玻璃基底1，并對導(dǎo)電 玻璃基底1進(jìn)行預(yù)處理；C、在導(dǎo)電薄膜2上制備NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列3，所述的NiO-TiO2納米線異 質(zhì)結(jié)陣列3的面積小于導(dǎo)電薄膜2的面積；D、在NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列3上制備P型歐姆電極4 ；E、在導(dǎo)電薄膜2上制作N型歐姆電極5。所述的導(dǎo)電玻璃基底1預(yù)處理包括以下步驟
5[0030]B1、用錫箔做掩膜，將經(jīng)過預(yù)處理的IT0導(dǎo)電玻璃的四周邊緣遮擋住，覆蓋寬度為 2mm ；B2、采用真空蒸鍍技術(shù)，在石英導(dǎo)電基底上制備20-25 ym厚高純A1膜；B3、對蒸鍍好的高純A1膜進(jìn)行表面清洗，除去油脂；利用高氯酸和無水乙醇混合 液作為電解液進(jìn)行電解拋光，獲得光亮潔凈的A1膜；B4、以所得A1膜為陽極，鉬片為陰極，5%磷酸為電解液，水浴中對A1膜進(jìn)行一次 高壓陽極氧化；B5、采用磷酸和鉻酸混合液除去有序性較差的一次氧化層，并在相同條件下對A1 膜進(jìn)行二次氧化，制得10-15 u m厚石英導(dǎo)電玻璃基陽極氧化鋁AA0模板。所述的Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列3的制備方法包括以下步驟C1、在基于玻璃基底1的導(dǎo)電薄膜2上首先制備一系列垂直于導(dǎo)電薄膜2所在平 面的Ti02納米線311，使所制得的Ti02納米線311平行排列構(gòu)成Ti02納米線陣列31 ；C2、在Ti02納米線陣列31中的每根Ti02納米線311上分別制備一根NiO納米線 321，使NiO納米線321的生長方向與Ti02納米線311 —致，所制得的NiO納米線321平行 排列即構(gòu)成NiO納米線陣列32。所述的玻璃基底1厚度為0. 5-2mm ；導(dǎo)電薄膜2為半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜2或金屬導(dǎo)電 薄膜2，厚度為0. 5-1 u m ；Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列3厚度為0. 5-11 y m，其中Ti02納米 線陣列31的厚度為0. 05-10 um,電子濃度大于lX1018cm_3，NiO納米線陣列32的厚度為 0. 05-10 um,自由載流子濃度小于lX1016cm_3 ；Ti02納米線311長度為0. 05-10 u m, NiO納 米線321長度為0. 05-10 u m。所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)，由 Au或Pd或Pt或Ni或A1材料制得，厚度為0. 1-5 u m。所述的Ti02納米線陣列31和NiO納米線陣列32的制備方法包括溶膠-凝膠法、 模板法、模板_電泳沉積法、氣相沉積法和磁控濺射法，所述的P型歐姆電極4和N型歐姆 電極5的制備方法包括濺射工藝、氣相沉積工藝、離子鍍工藝、蒸鍍工藝。所述的模板-電泳沉積法制備Ti02納米線陣列31和NiO納米線陣列32的步驟 如下在Ti02溶膠中，以導(dǎo)電玻璃基底1雙通AA0模板為陰極，石墨棒為陽極，施加10-15V 電壓。使帶正電荷的打02膠粒向陰極移動(dòng)，并借助毛細(xì)作用進(jìn)入模板微孔，在帶負(fù)電的導(dǎo) 電玻璃基底1 一端不斷沉積，lOmin后形成1-2 u m長納米線311 ；模板經(jīng)100°C干燥30min 除去多余有機(jī)成分，再經(jīng)400°C焙燒lh使Ti02納米線311內(nèi)部微孔收縮，晶化，并與導(dǎo)電基 底牢固結(jié)合；采用上述電泳沉積技術(shù)，在沉積有l(wèi)-2iim長Ti02納米線311的AA0微孔內(nèi)繼 續(xù)沉積NiO膠粒，30min后制得5-6 y m長NiO納米線321 ；而后，經(jīng)100°C干燥30min、400°C 焙燒lh，分別除去多余有機(jī)成分并使NiO納米線321晶化；用3mol/LNa0H溶液溶解AA0模 板，制得6-8 ii m厚Ni0-Ti02納米線異質(zhì)結(jié)陣列3。利用偏置電壓電路向紫外光探測器提供反向偏置電壓。當(dāng)紫外光照射到探測器石 英玻璃一側(cè)時(shí)，Ti02納米線陣列31內(nèi)產(chǎn)生光生電子-空穴對，在內(nèi)建電場的作用下，光生電 子、空穴分別向NiO納米線陣列32和Ti02納米線陣列31快速漂移，并經(jīng)P型歐姆電極4和 N型歐姆電極5分別傳入外電路，產(chǎn)生光電流信號(hào)，從而達(dá)到紫外光探測的目的。
權(quán)利要求一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，包括玻璃基底(1)、導(dǎo)電薄膜(2)，所述的導(dǎo)電薄膜(2)位于玻璃基底(1)上；其特征在于所述的玻璃基底(1)是石英玻璃基底(1)，所述的導(dǎo)電薄膜(2)上有作為紫外光吸收層的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列(3)和至少一個(gè)N型歐姆電極(5)，所述的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列(3)上有至少一個(gè)P型歐姆電極(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，其特征在于所述 的導(dǎo)電薄膜⑵為ITO導(dǎo)電薄膜⑵或FTO導(dǎo)電薄膜⑵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，其特征在于所述 的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列(3)為TiO2納米線陣列(31)和NiO納米線陣列(32)通過 線-線對接構(gòu)成，所述的TiO2納米線陣列(31)由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜(2)的TiO2納米 線(311)平行排列構(gòu)成，且每一根TiO2納米線(311)上端均生長有一根NiO納米線(321)； 所述的NiO納米線陣列(32)由生長在TiO2納米線(311)上端、生長方向與TiO2納米線 (311)方向一致的NiO納米線(321)平行排列構(gòu)成；所述的NiO納米線陣列(32)中的每一 根NiO納米線(321)均與TiO2納米線陣列(31)中與之位置相同的一根TiO2納米線(311) 相連，構(gòu)成NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，其特征在于所述 的P型歐姆電極(4)和N型歐姆電極(5)為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器，所述的探測器包括玻璃基底、導(dǎo)電薄膜，所述的玻璃基底是石英玻璃基底，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為紫外光吸收層的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列和至少一個(gè)N型歐姆電極，所述的NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列上有至少一個(gè)P型歐姆電極。本實(shí)用新型的制備方法，包括在導(dǎo)電薄膜上制備NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列并在NiO-TiO2納米線異質(zhì)結(jié)陣列上制備P型歐姆電極和在導(dǎo)電薄膜上制作N型歐姆電極。本實(shí)用新型的核心結(jié)構(gòu)由TiO2納米線陣列和NiO納米線陣列通過線-線對接構(gòu)成納米線異質(zhì)結(jié)陣列結(jié)構(gòu)，具有外量子效率和靈敏度高、響應(yīng)速度快、暗電流小、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/09GK201638834SQ20102015938
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者于濤, 付姚, 馮威, 彭勇, 羅昔賢 申請人:大連海事大學(xué)