專利名稱:一種柔性紅外探測器的制備方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種柔性紅外探測器的制備方法。
背景技術:
近年來,有關柔性電子器件的研究已經成為了一個研究熱點。柔性電子器件在攜帶式的電子產品以及柔性電子顯示方面所展現(xiàn)出的優(yōu)異性能,已經引起了人們越來越多的關注。柔性電子器件的研究也對相關傳感器的研究提出了更高的要求,需要傳感器具備高靈敏度、高可靠性和穩(wěn)定性等特點。紅外探測技術是熱成像、光學斷層掃描、遙感、夜視、熱伏以及光伏太陽能電池中的關鍵技術,在醫(yī)學診斷、實時監(jiān)控、新能源等方面都有重要的用途。硅材料本身可以探測紅外,但是當光波長在SOOnm以上時,其光響應特性迅速衰減,不適合較長紅外波段的探測,盡管一些有機光電材料以及溶液法制備的量子點對紅外光具有一定的光敏特性,但是它們在空氣中不太穩(wěn)定,將對其進一步的發(fā)展和應用產生阻礙。利用單壁碳納米管以及碳納米管薄膜制備的紅外探測器,其光電響應最高只有0.7% ; 而利用碳納米管和有機物組成的復合材料具有相對較高的紅外響應,在紅外光照下,其電阻率變化為4.。值得注意的是,碳納米管的電導性能是由其結構決定,它可能是金屬性也可能是半導體性,以目前的生長技術還很難控制碳納米管的電導性能,因此有可能對基于碳納米管的紅外光敏傳感器下一步實用化造成一定的影響。另外,由于電子器件在空氣中受到灰塵和水蒸氣等的影響會導致其性能惡化,如果采用具有自清潔功能的器件表面就可以大大降低這種影響。當有水滴落到具有自清潔特性的器件表面時,只需要輕微的振動,水滴就會從材料表面滾落,同時帶走表面的灰塵等其它雜物,實現(xiàn)自清潔功能,降低環(huán)境對器件性能的影響。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種柔性紅外探測器的制備方法,采用烴類或者醇類化合物的燃燒火焰在襯底上制備碳納米顆粒,并通過干法轉移將其轉移到PDMS上,制備出柔性的碳納米顆粒材料,在此基礎上制備出柔性的紅外探測器。本發(fā)明利用碳納米顆粒較高的紅外響應特性,結合PDMS的熱絕緣作用,為解決碳材料紅外響應普遍較低的問題提供了一條可選途徑。一種柔性紅外探測器制備方法,具體為首先,將襯底放置在烴類或者醇類化合物的火焰上方一定距離一段時間,直至在襯底上生長出碳納米顆粒;然后,利用干法轉移將碳納米顆粒轉移到聚二甲基硅氧烷(PDMQ上;最后,將襯底從PDMS上剝離,碳納米顆粒就被轉移到PDMS上,得到柔性襯底上的碳納米顆粒材料;在碳納米顆粒薄膜的兩端制備銀電極并引線封裝,就得到了柔性紅外探測器。
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其中,干法轉移的具體過程為首先將PDMS按照一定比例配備,然后放入 400C -80°C烘箱中烘烤10-30分鐘左右,得到半固化的PDMS ;然后將襯底放置在半固化的 PDMS上并壓緊,保證生長有碳納米顆粒那一面朝向PDMS,然后再次放入40°C _80°C烘箱中烘烤10-30分鐘左右取出;最后將襯底從PDMS上剝離,碳納米顆粒就被轉移到PDMS上,得到柔性襯底上的碳納米顆粒材料。本發(fā)明的技術效果體現(xiàn)在生長碳納米顆粒以及制備柔性紅外探測器的方法簡單,通過PDMS剝離的碳納米顆粒具有較高的紅外響應,可用于制備柔性紅外探測器件;同時由于器件表面具有自清潔作用,使得其可以應用于較惡劣的環(huán)境中。
圖1所示為碳納米顆粒紅外探測器的制備流程圖。圖2所示為碳納米顆粒的低分辨TEM圖片。圖3所示為碳納米顆粒的高分辨TEM圖片。圖4所示為在PDMS上制備的紅外探測器隨入射紅外光的開啟和關閉時的電流響應。圖5所示為制作在PDMS襯底上紅外探測器光電流與入射紅外光的能量密度之間的關系。圖6所示為5微升的小水滴被支撐在碳納米顆粒紅外探測器的表面而不滲入器件內部。圖7所示為水滴在紅外探測器表面的滾動圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。一種柔性紅外探測器制備方法,具體步驟如下1.將襯底(如陶瓷片)切割成一定大小(如4cmX0. 7cm),用丙酮、酒精和去離子水等清洗劑依次各超聲清洗5分鐘,用氮氣吹干備用。其中,陶瓷片可以選用氧化鋁陶瓷片,另外,還可以用石英玻璃、硅片等作為襯底。2.選用烴類或者醇類化合物的燃燒火焰作為碳納米顆粒的碳源,并將燃燒源放置在無強烈空氣對流的環(huán)境中點燃備用。本實施例中優(yōu)選使用酒精燈火焰作為碳源。3.在燃燒源燃燒一定時間(如10 15分鐘)之后,將陶瓷片放置在距離燃燒源 5. 5cm的地方。具體時間和放置距離可以根據(jù)實際情況具體設定,以最終在襯底上生成碳納米顆粒為準。4. 0. 5 10分鐘之后移開襯底,陶瓷片上即覆蓋一層黑色的碳納米顆粒。5.將PDMS和固化劑混合均勻后放置在70°C的恒溫烘箱中10 35分鐘,然后將生長有碳納米顆粒的陶瓷片面朝下放在PDMS上壓緊,然后再放入70°C的恒溫烘箱中,10 25分鐘后取出。6.將固化后的PDMS從陶瓷片表面剝離開來,即得到在PDMS表面的碳納米顆粒。7.在碳納米顆粒薄膜的兩端分別制備銀電極,并引線和封裝,得到柔性的紅外探測器原型器件。
對制備的器件,用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和拉曼光譜(Raman)進行分析, 確定陶瓷片及PDMS上碳納米顆粒的形貌、物質結構等,并測試了樣品的紅外響應特性和超疏水特性等。以下結合附圖進行說明。圖1所示為制備碳納米顆粒紅外探測器的流程圖。(a)所示為在襯底上定域生長的碳納米顆粒薄膜,(b)所示為預固化的PDMS,(c)將長有碳納米顆粒的襯底面朝下放置在 PDMS上,(d)將襯底從PDMS上剝離,碳納米顆粒被轉移到PDMS上,(e)器件切割成單個的分立元件,(f)制備電極并引線封裝,形成器件。圖2和圖3所示為碳納米顆粒的TEM圖片。從圖2可以看到,碳納米顆粒具有樹枝狀的形貌特征并相互纏繞在一起;從圖3的高分辨透射電鏡圖片可以看到,碳納米顆粒由許多具有同心結構的碳薄層疊構而成,形成類似于“洋蔥”的結構。圖4所示為碳納米顆粒紅外探測器的紅外響應特性。從圖中可以看出,當紅外光以一定的頻率照射到探測器上時,探測器也會產生周期性的電流響應。探測器對波長為 1064nm,頻率為5赫茲,脈沖寬度為2毫秒的紅外光的電流響應為 16.9%。當增大入射紅外光的脈沖寬度到10毫秒時,其電流變化率能達到 52. 9%,這是單壁碳納米管薄膜的紅外響應(0.7%)的75倍,是碳納米管和聚合物組成的復合材料的紅外響應(4. 26%)的12 倍。其響應時間和恢復時間分別為36毫秒和3 毫秒,其響應時間比碳納米管/聚合物復合材料的響應時間(60毫秒)要短,該結果說明PDMS襯底上的碳納米顆粒具有更高和更快速的紅外響應。圖5所示為不同能量密度的入射紅外光照射下,碳納米顆粒紅外探測器的光電流響應。從圖中可以看到,隨著入射光能量密度的增加,紅外探測器的電流也隨之線性增大。 碳納米顆粒紅外探測器最低可以在入射光能量密度為56微瓦/平方毫米時產生電流響應, 該結果說明碳納米顆粒紅外探測器能探測到極低能量的紅外光。圖6所示為碳納米顆粒紅外探測器的表面疏水性能測試圖。從圖中測得的疏水角度為150. 10°,證明其具有超疏水特性。圖7描述了水滴在碳納米顆粒在紅外探測器表面的滾動過程,探測器的表面傾斜角度設置為4°。從圖中可以看出,水滴在碳納米顆粒表面能夠很快的滾動而不粘滯,預示該器件具有較好的“自清潔”功能——利用水滴的滾動帶走器件表面的沾污。從上述分析可以得出結論,本發(fā)明應用碳納米顆粒制備的柔性紅外探測器,其具有較高的紅外響應特性,較快的響應速度并具有自清潔功能。該方法可以很容易應用到大面積的柔性紅外探測器的工業(yè)化生產以及相關產業(yè)中。這種材料在具有自清潔功能的柔性紅外探測器等方面都具有很好的應用前景。
權利要求
1.一種柔性紅外探測器的制備方法,包括如下步驟首先,將襯底放置在烴類或醇類化合物的火焰上方一定距離處一段時間,直至在襯底上生長出碳納米顆粒;其次,將碳納米顆粒轉移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)上;然后,將襯底從聚二甲基硅氧烷上剝離,所述碳納米顆粒被轉移到聚二甲基硅氧烷上, 即得到在聚二甲基硅氧烷上的碳納米顆粒薄膜層;最后,在所述碳納米顆粒薄膜的兩端制備銀電極并引線封裝,即可獲得柔性紅外探測器。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述將碳納米顆粒轉移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)上的具體過程為首先將聚二甲基硅氧烷按照一定比例配備,烘烤后獲得半固化的聚二甲基硅氧烷,然后將襯底放置在所述半固化的聚二甲基硅氧烷上并壓緊,其中,生長有碳納米顆粒的面朝向所述半固化的聚二甲基硅氧烷,再次烘烤后將襯底從聚二甲基硅氧烷上剝離,碳納米顆粒即被轉移到聚二甲基硅氧烷上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的制備方法,其特征在于,所述襯底為陶瓷片、石英玻璃或娃片。
4.根據(jù)權利要求1-3之一所述的制備方法,其特征在于,所述烴類或醇類化合物為酒精。
5.權利要求1-4之一所述的制備方法制備的柔性紅外探測器。
全文摘要
本發(fā)明提出一種柔性紅外探測器的制備方法,包括首先,將襯底放置在烴類或者醇類化合物的火焰上方一定距離處一段時間,直至在襯底上生長出碳納米顆粒;其次,將碳納米顆粒轉移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)上;然后,將襯底從聚二甲基硅氧烷上剝離,碳納米顆粒被轉移到聚二甲基硅氧烷上,得到柔性襯底上的碳納米顆粒材料;最后,在碳納米顆粒薄膜的兩端制備銀電極并引線封裝,就得到了柔性紅外探測器。本發(fā)明的方法工藝簡單,通過PDMS剝離的碳納米顆粒具有較高的紅外響應,可用于制備柔性紅外探測器件;同時由于器件表面具有自清潔作用,使得其可以應用于較惡劣的環(huán)境中。
文檔編號H01L31/18GK102185026SQ20111008533
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2011年4月6日
發(fā)明者代俊杰, 周軍, 袁龍炎 申請人:華中科技大學