一种基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，自下而上依次有透明导电柔性衬底、ZnO籽晶层、ZnO纳米阵列、电解质层、Pt导电层和柔性衬底。其制备方法为采用激光脉冲沉积法在透明导电柔性衬底上生长ZnO籽晶层，再在其上水热生长ZnO纳米阵列；采用电子束蒸发法在柔性衬底上蒸镀Pt导电层；并将其覆盖在ZnO纳米阵列上，使两者之间形成20～60μm的空腔；最后将电解质注入空腔，密封制成基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。相比于传统的紫外探测器，本发明具有无需外加偏压、响应速度快、灵敏度高、结构简单、可携带、可折叠等优势。此外，制备成本低，易于实现大面积生产，在军事、民用以及在小型便携式电器和某些特殊场合如野外有着广泛的应用前景。
【专利说明】一种基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件【技术领域】，特别是指一种柔性的且自驱动的ZnO基紫外波段探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]紫外探测的研究具有重要的实际意义。紫外辐射通常是燃烧的产物，火箭及喷射式飞机的尾焰，碳氢化合物的燃烧都能产生较强的紫外辐射。在生活环境中，太阳是最强大的紫外辐射源，但经过大气吸收衰减后，在地面和近地大气中存在着太阳辐射的光谱盲区，处在大气紫外窗口谱区的紫外线因大气散射而呈现均匀的背景，如能有效利用这一光谱盲区便能探测出非太阳的紫外辐射源，对其进行监控，在军事和民用等方面具有广泛的应用。在军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等；在民用上，如明火探测、生物医药的分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察等。目前应用最广的是紫外真空二极管、紫外光电倍增管等，然而，关于自驱动紫外探测器的报道还很少，尤其是柔性衬底光化学电池结构的自驱动紫外探测器还没有报道。
[0003]ZnO是一种宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV，在紫外探测方面受到越来越广泛的关注。ZnO具有制备方法多样、耐高温、外延温度低、制备成本低、耐辐射性强和带隙可调等优点。相比于传统的薄膜紫外探测器，柔性衬底自驱动ZnO基紫外探测器更具有无需外加偏压、响应速度快、响应灵敏度高、结构简单、可携带、可折叠等优势。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种制备成本低、工艺简单且性能优良的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器及其制备方法。
[0005]本发明的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，自下而上依次有透明导电柔性衬底、ZnO籽晶层、ZnO纳米阵列、电解质层、Pt导电层和柔性衬底。
[0006]通常，ZnO籽晶层的厚度为20?100纳米，ZnO纳米阵列的厚度为1?4微米；Pt导电层的厚度为60?100纳米；电解质层在ZnO纳米阵列和Pt导电层之间形成的20?60微米空腔内。
[0007]上述的电解质可以是去离子水。所述的透明导电柔性衬底可以是镀有ΙΤ0导电膜的 PET。
[0008]基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤:
1)将经清洗处理的透明导电柔性衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，在20?60 °C，1?3 Pa条件下，生长ZnO籽晶层；然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在80?95 °C保温4?10 h，在ZnO籽晶层上生长ZnO纳米阵列；
2)将经清洗处理的柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在柔性衬底上生长Pt导电层；
3)将步骤2)生长有Pt导电层的柔性衬底覆盖在步骤1)的ZnO纳米阵列上，使ZnO纳米阵列和Pt导电层之间相距20?60微米，先用密封剂将三个侧面密封，然后将电解质注Λ ZnO纳米阵列和Pt导电层之间的空腔内，再用密封剂密封剩下的一个侧面，得到基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。
[0009]工作原理:紫外光从长有ZnO纳米阵列的透明导电柔性衬底背面一侧入射，电解液和ZnO纳米阵列接触后，由于η型ZnO纳米阵列的费米能级要比电解质的费米能级高，因此电子将从ZnO纳米阵列一侧流向电解质的一侧，造成能带朝电解液这侧向上弯曲，纳米阵列和电解质的界面处形成了载流子耗尽层即形成了内建电场。在紫外光照射下，电子空穴对被激发，电子空穴在内建电场作用下快速分离，电子向氧化锌一侧运动到达工作电极后经过外电路到达对电极，空穴向电解液一侧运动，在Pt的催化下，电子与空穴与电解液发生一系列可循环氧化还原反应，构成回路，因此不需要外加电压即可实现自驱动。
[0010]本发明的有益效果在于:
1)本发明方法简单，制备成本低且易于实现大面积生产；
2)无需外加偏压、响应速度快、响应灵敏度高；
3)通过对ZnO纳米线进行掺杂，可实现对不同波段紫外线的探测；
4)整个器件可以自由弯曲，器件轻质，可做成可穿戴产品，携带方便，可以在有特殊需要的场合下使用。
[0011]
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器的结构示意图。
[0013]图中:1为透明导电柔性衬底、2为ZnO籽晶层、3为ZnO纳米阵列、4为电解质层、5为Pt导电层、6为柔性衬底。
【具体实施方式】
[0014]以下结合附图详细叙述本发明。
[0015]参照图1，本发明的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，自下而上依次有透明导电柔性衬底1、ZnO籽晶层2、ZnO纳米阵列3、电解质层4、Pt导电层5和柔性衬底6。
[0016]实施例1
1)将经清洗处理的镀有ΙΤ0导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度60 °C，压力为1 Pa，生长厚度为50纳米的ZnO籽晶层；然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1: 1，在90 °C保温4 h，在ZnO籽晶层上生长长度为2微米的ZnO纳米阵列；
2)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为100 nm；
3)将步骤2)生长有Pt导电层的PET覆盖在步骤1)的ZnO纳米阵列上，使ZnO纳米阵列和Pt导电层之间相距20微米，先用密封剂将三个侧面密封，然后将去离子水注入ZnO纳米阵列和Pt导电层之间形成的空腔内，再用密封剂密封剩下的一个侧面，得到基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。
[0017]本例制得的基于柔性衬底的自驱动紫外探测器响应速度为0.13 s。
[0018]实施例2
1)将经清洗处理的镀有ΙΤ0导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度45 °C，压力为2 Pa，生长厚度为20纳米的ZnO籽晶层；然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1: 1，在95 °C保温7 h，在ZnO籽晶层上生长长度为4微米的ZnO纳米阵列；
2)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为60 nm；
3)将步骤2)生长有Pt导电层的PET覆盖在步骤1)的ZnO纳米阵列上，使ZnO纳米阵列和Pt导电层之间相距40微米，先用密封剂将三个侧面密封，然后将去离子水注入ZnO纳米阵列和Pt导电层之间的空腔内，再用密封剂密封剩下的一个侧面，得到基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。
[0019]本例制得的基于柔性衬底的自驱动紫外探测器响应速度为0.17 s。
[0020]实施例3
1)将经清洗处理的镀有ΙΤ0导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度20 °C，压力为3 Pa，生长厚度为100纳米的ZnO籽晶层；然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1: 1，在80°C保温10 h，在ZnO籽晶层上生长长度为1微米的ZnO纳米阵列；
2)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为80 nm；
3)将步骤2)生长有Pt导电层的PET覆盖在步骤1)的ZnO纳米阵列上，使ZnO纳米阵列和Pt导电层之间相距60微米，先用密封剂将三个侧面密封，然后将去离子水注入ZnO纳米阵列和Pt导电层之间的空腔内，再用密封剂密封剩下的一个侧面，得到基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。
[0021]本例制得的基于柔性衬底的自驱动紫外探测器响应速度为0.15 s。
【权利要求】
1.一种基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，其特征是自下而上依次有透明导电柔性衬底(I)、ZnO籽晶层(2)、ZnO纳米阵列(3)、电解质层(4)、Pt导电层(5)和柔性衬底(6)。
2.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，其特征是所述的ZnO籽晶层(2)的厚度为20?100纳米，ZnO纳米阵列(3)的厚度为f 4微米，Pt导电层(5 )的厚度为60?100纳米；电解质层(4 )在ZnO纳米阵列(3 )和Pt导电层(5 )之间形成的20?60微米空腔内。
3.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，其特征是所述的电解质层是去离子水。
4.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器，其特征是所述的透明导电柔性衬底(I)是镀有ITO导电膜的PET。
5.制备权利要求1所述的基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将经清洗处理的透明导电柔性衬底(I)放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，在20?60 °C，1?3 Pa条件下，生长ZnO籽晶层(2);然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在80?95 °〇保温4?10 h，在ZnO籽晶层上生长ZnO纳米阵列(3)； 2)将经清洗处理的柔性衬底(6)放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在柔性衬底(6)上生长Pt导电层(5)； 3)将步骤2)生长有Pt导电层的柔性衬底覆盖在步骤I)的ZnO纳米阵列上，使ZnO纳米阵列(3)和Pt导电层(5)之间相距20?60微米，先用密封剂将三个侧面密封，然后将电解质(4)注入ZnO纳米阵列(3)和Pt导电层(5)之间的空腔内，再用密封剂密封剩下的一个侧面，得到基于柔性衬底的自驱动ZnO基紫外探测器。
【文档编号】H01G9/20GK104465112SQ201410754808
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】曾溢宇, 潘新花, 戴文, 叶志镇 申请人:浙江大学