CN100505329C - 一种探测波长在红外至远远红外光的探测器及制法 - Google Patents

一种探测波长在红外至远远红外光的探测器及制法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜制作的探测器，包括：一基底，在基底上生长一层纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，其特征在于，还包括尺寸大小为纳米量级的银颗粒，该银颗粒镶嵌在ZnO膜上；其中ZnO膜厚度在10纳米～10微米；银颗粒尺寸在1～200纳米；第一电极和第二电极设置在ZnO膜上，第一电极引线和第二电极引线连接在电极上，并且在两个电极引线之间并联一电阻，两个电极引线的末端连接电压测试设备。该探测器在波长800nm-100μ光照射下可以获得25-100毫伏以上的直接光生伏特信号。

Description

一种探测波长在红外至远远红外光的探测器及制法
技术领域
本发明涉及一种光探测器，特别是涉及一种基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜的红外、远远红外光探测器及其制备方法。
背景技术
近几十年，由于氧化锌在兰光及紫外二极管和激光器方面的潜在用途引起了人们的极大兴趣，氧化锌是一种宽禁带半导体材料，其直接带宽为3.37eV，所以可以用该材料制作一种紫外光的探测器。如文献1：P.Sharma and K.Sreenivas，Appl.Phys.Lett.，Vol.83，27(2003)和W.Yang，S.S.Hullavarad，B.Nagaraj，I.Takeuchi，R.P.Sharma，T.Venkatesan，R.D.Vispute，and H.Shen，Appl.Phys.Lett.82，3424(2003)所介绍的，这种探测器仅限于探测紫外光；而在众多的文献中，还没有发现把纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜作为红外光探测器的报道。本发明为了弥补这一缺陷，提供一种基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜的红外至远红外光探测器的制备方法及其产品。
发明内容
本发明的目的在于拓宽了氧化锌薄膜的使用范围：从而提供一种能探测波长在红外至远远红外光波段的、基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，及用该薄膜材料制作的探测器件。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的探测波长在红外至远远红外光的探测器，包括：一基底8，在基底8上生长一层ZnO薄膜层1；其特征在于，所述的ZnO薄膜层1为纳米银颗粒掺杂的ZnO层，即纳米尺寸的银颗粒生长在ZnO薄膜层1内，ZnO薄膜层1厚度在10纳米～10微米；其中ZnO薄膜层1内银颗粒的尺寸在1～100纳米，纳米尺寸的银颗粒与ZnO为Zn和Ag的原子比为：5:1～100:1；第一电极2和第二电极3设置在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层上，第一电极引线5和第二电极引线4分别连接在第一电极2和第二电极3上，并且在两个电极引线之间并联一1～1MΩ的电阻6，两个电极输出端连接放大电路9。
在上述的技术方案中，还包括在两个电极输出端连接电压测试设备，所述的电压测试设备为电压放大器或者示波器。
在上述的技术方案中，还包括在第一电极引线和第二电极引线之间并联一电容，电容为1PF～500μF。
在上述的技术方案中，所述的基底选自氧化镁、白宝石、水晶片、铝酸镧或钛酸锶等。
在上述的技术方案中，所述的电极是铟、银或者其他金属。
本发明提供的制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法，利用制备薄膜的设备和工艺，按以下步骤进行：
1).制作纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层：首先制作银-氧化锌复合马赛克靶，该银-氧化锌复合马赛克靶为银片覆盖的面积占氧化锌靶的总面积的二分之一～二十分之一，把银-氧化锌复合马赛克靶安装在脉冲激光沉积设备真空室内的靶位上；基片安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽真空到1×10-3Pa以上，基片加热从室温度到6000℃；打开准分子脉冲激光器，用能量为120毫焦至450毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌复合马赛克靶，进行沉积，靶距30-50毫米，沉积时间10-500分钟，得到膜厚度在10纳米～10微米，银颗粒大小1-200纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜；
2).取一块步骤1)所做的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜材料，做成如附图1所示形式的电路，第一电极和第二电极分别设置在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层上，第一电极引线和第二电极引线分别焊接在第一电极和第二电极上，并且在第一电极引线和第二电极引线之间串联一个10欧～1兆欧姆电阻，两个电极引线的输出端连接放大电路。
在上述的技术方案中，还包括步骤3).将步骤2)制备的探测器输出端可以连接到通常的电压放大电路，得到基本的红外探测器。
在上述的技术方案中，所述制备银-氧化锌复合马赛克靶方法包括以下两种：
①将高纯银(纯度99％-99.999％)片制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将扇形银片贴在圆饼形氧化锌(纯度99％-99.999％)靶上制作成一体的复合马赛克靶，其中银片覆盖的面积占氧化锌靶的总面积的二分之一～二十分之一；②以高纯银(纯度99％-99.999％)和氧化锌(纯度99％-99.9999)原料，分别制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银和氧化锌扇形的饼拼成圆形的饼，并放到靶内作成银-氧化锌复合马赛克靶，其中高纯银的面积占圆形饼总面积的二十分之一到二分之一。
在上述的技术方案中，所述的制备薄膜的设备和工艺，包括采用常规脉冲激光制薄膜设备和工艺、化学气相沉积工艺和工艺、溅射设备和工艺、物理气相沉积设备和工艺或超声喷雾设备和工艺。
本发明的优点：
本发明由于采用复合马赛克把方法实现纳米尺寸的银颗粒生长在ZnO里面，而制备出纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜材料，再利用该纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜料制备出光探测器，如图1所示。以波长为800nm-100μ的脉冲激光做探测光，激光能量为1毫焦，光束的面积一个平方厘米，照在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜部分，在薄膜的两端用示波器测量得到大约20-100mV的直接电压输出。该该纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜料制备出光探测器的结构简单，在红外(从800nm至远红外)光照射下可以获得直接的光生伏特信号，信号达到了20-100毫伏以上，拓展了氧化锌薄膜的应用范围。首次实现了在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜上由红外至远红外光外光激发的光生伏特信号，制成基本的光探测器单元；该基本的光探测器单元的光生伏特信号如图2所示。
本发明制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法简单，在脉冲激光沉积法中只需要使用马赛克把方法就可以制备出纳米银颗粒掺杂的氧化锌薄膜，所需的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜也可以用化学气相沉积设备、脉冲激光沉积设备、溅射设备、其他的薄膜沉积设备就可以制备高质量的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜。
附图说明
图1是本发明利用纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，制做的探测波长在红外至远远红外光的探测器结构图
图2是本发明的探测波长在红外至远远红外光的探测器的光生伏特信号图
图3是本发明利用纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，制做的光探测器另一实施例结构图
图面说明：
纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜-1  第一电极-2
第二电极-3      第一电极引线-4     第二电极引线-5
电阻-6          电容-7            基底-8
电压测试设备-9
图4纳米银掺杂的氧化锌薄膜的SEM照片
具体实施方式
实施例1，
参照图1，下面在实施例中结合附图对本发明的基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜的光探测器进行详细说明：
本实施例制备的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，利用脉冲激光沉积设备其具体制备步骤如下：
(1)制作马赛克靶，以纯度为99％-99.999％高纯银制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将扇形银片贴在圆饼形氧化锌(纯度为99％-99.999％的)靶上制作成一体的复合马赛克靶，银的面积占四分之一；
(2)把步骤(1)制备好的银-氧化锌靶复合马赛克靶，安装在脉冲激光沉积设备的真空室内靶位上；基片8安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽到5×10-8Pa以上的真空，基片加热从温度到600℃；打开准分子脉冲激光器，用能量为150毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌靶复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌靶复合马赛克靶，进行沉积，靶距50毫米，沉积时间30分钟，得到膜厚度在200纳米，银颗粒直径10纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜层1，从图4的SEM照片可以看出银颗粒直径10纳米；
(3)取一块5mm×10mm的上述做成的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层1，在其上按照图1的结构制作第一电极2和第二电极3，并且在第一电极2和第二电极3上，分别焊接第一电极引线4和第二电极引线5，同时在第一电极引线4和第二电极引线5之间串联一500欧姆电阻6，两个电极引线的输出端连接放大电路；还可以末端连接电压测试设备7为示波器，第一电极2和第二电极3均采用蒸镀的银电极。
(4)制备的探测器电路如图1所示，该探测器在1064nm的红外激光的照射下，其输出光生伏特信号达到了25毫伏，如图2所示。
所做的探头用波长为1064纳米的红外脉冲激光做探测光，激光能量为1毫焦，光束的面积一个平方厘米，照在异质结的氧化锌的部分在薄膜的两端用示波器测量得到大约25mV的直接电压输出。
实施例2
首先制备纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制作马赛克靶：以高纯银和氧化锌原料(纯度为99％-99.999％的)，分别制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银和氧化锌扇形的饼拼成圆形的饼，并放到靶内作成复合马赛克靶，银的面积占圆形饼总面积的五分之一；
(2)把银-氧化锌靶复合马赛克靶安装在脉冲激光沉积设备真空室内的靶位上；基片安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽到1×10-3以上的真空，基片加热到400℃；打开准分子脉冲激光器，用能量为250毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌靶复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌靶复合马赛克靶，进行沉积，靶距30毫米，沉积时间40分钟，得到膜厚度在250纳米，银颗粒直径～10纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜；
(3)取一块5mm×10mm的上述做成的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，在其上按照图1的结构制作第一电极2和第二电极3，并且在第一电极2和第二电极3上，分别焊接第一电极引线4和第二电极引线5，同时在第一电极引线4和第二电极引线5之间串联一1兆欧姆电阻6，两个电极引线的输出端连接放大电路；还可以末端连接电压测试设备9。
(4)制备的探测器如图1所示，该探测器在1064nm的红外激光的照射下，激光能量为1毫焦，光束的面积一个平方厘米，照在探头的薄膜部分，在薄膜的两端用示波器测量得到大约45mV的直接电压输出。
实施例3.
参照图1，下面在实施例中结合附图对本发明的基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜的光探测器进行详细说明：
首先制备纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制作马赛克靶，可以按照下述两种方法制备马赛了靶，①所述的马赛克靶是以高纯银片制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银片贴在圆饼形氧化锌靶上制作成复合马赛克靶，银的面积占3分之一；
(2)把银-氧化锌靶复合马赛克靶安装在脉冲激光沉积设备真空室内的靶位上；基片安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽到2×10-8Pa以上的真空，基片加热到500℃；打开准分子脉冲激光器，用能量为350毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌靶复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌靶复合马赛克靶，进行沉积，靶距30-50毫米，沉积时间60分钟，得到膜厚度在400纳米，银颗粒直径～15纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜；
(3)取一块5mm×10mm的上述做成的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，在其上按照图1的结构制作第一电极2和第二电极3，并且在第一电极2和第二电极3上，分别焊接第一电极引线4和第二电极引线5，同时在第一电极引线4和第二电极引线5之间串联一1兆欧姆电阻6，两个电极引线的输出端连接放大电路；还可以末端连接电压测试设备9。
(4)制备的探测器电路如图1所示，该探测器电路在3000nm的红外激光的照射下，其输出光生伏特信号达到了55毫伏。
实施例4.
制备高质量纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，做成如图所示的电路在10μ的红外脉冲激光的照射下，其输出光光生伏特信号达到了100毫伏。
参照图1，下面在实施例中结合附图对本发明的基于纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜的光探测器进行详细说明：
首先制备纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制作马赛克靶，可以按照下述两种方法制备马赛了靶，①所述的马赛克靶是以高纯银片制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银片贴在圆饼形氧化锌靶上制作成复合马赛克靶，银的面积占六分之一；
(2)把银-氧化锌靶复合马赛克靶安装在脉冲激光沉积设备真空室内的靶位上；基片安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽到1×10-3Pa以上的真空，基片加热到450℃；打开准分子脉冲激光器，用能量为250毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌靶复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌靶复合马赛克靶，进行沉积，靶距30毫米，沉积时间100分钟，得到膜厚度在600纳米，银颗粒直径～15纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜；
(3)取一块5mm×10mm的上述做成的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜，在其上按照图1的结构制作第一电极2和第二电极3，并且在第一电极2和第二电极3上，分别焊接第一电极引线4和第二电极引线5，同时在第一电极引线4和第二电极引线5之间并联一500欧姆电阻6，两个电极引线的输出端连接放大电路；还可以末端连接电压测试设备9。
(4)制备的探测器电路如图1所示，该探测器在10μ的红外激光的照射下，其输出光生伏特信号达到了100毫伏。
所做的探头用波长为10μ纳米的红外脉冲激光做探测光，激光能量为1毫焦，光束的面积一个平方厘米，照在异质结的氧化锌的部分在薄膜的两端用示波器测量得到大约100mV的直接电压输出。
还可以按图3制作，在上述的基础上在第一电极引线5和第二电极引线4之间并联一电容，电容为1PF～500μF均可以。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明探测器电路或制作方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种探测波长在红外至远远红外光的探测器，包括：一基底(8)，在基底(8)上生长一层ZnO薄膜层(1)；其特征在于，所述的ZnO薄膜层(1)为纳米银颗粒掺杂的ZnO层，ZnO薄膜层(1)厚度在10纳米～10微米；其中ZnO薄膜层(1)内银颗粒的尺寸在1～100纳米，纳米尺寸的银颗粒与ZnO为Zn和Ag的原子比为：5:1～100:1；第一电极(2)和第二电极(3)设置在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层上，第一电极引线(5)和第二电极引线(4)分别连接在第一电极(2)和第二电极(3)上，并且在两个电极引线之间并联一电阻(6)，两个电极输出端连接放大电路或电压测试设备(9)。
2.按权利要求1所述的探测波长在红外至远远红外光的探测器，其特征在于，还包括在第一电极引线(5)和第二电极引线(4)之间并联一个1PF～500μF的电容(7)。
3.按权利要求1所述的探测波长在红外至远远红外光的探测器，其特征在于，所述的基底(8)选自氧化镁、白宝石、水晶片、铝酸镧或钛酸锶基片。
4.按权利要求1所述的探测波长在红外至远远红外光的探测器，其特征在于，所述的电极是铟或者银。
5.一种制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法，利用制备薄膜的设备和工艺，按以下步骤进行：
1).制作纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜：首先制作银-氧化锌复合马赛克靶，银-氧化锌复合马赛克靶安装在脉冲激光沉积设备真空室内的靶位上；基片安装在脉冲激光沉积设备真空室内的基片台上，用分子泵把真空室抽真空到1×10-3Pa以上，基片加热从室温到6000C；打开准分子脉冲激光器，用能量为120毫焦至450毫焦的准分子脉冲激光聚焦到银-氧化锌复合马赛克靶上，轰击银-氧化锌复合马赛克靶，进行沉积，靶距30-50毫米，沉积时间10-500分钟，得到膜厚度在10纳米～10微米，银颗粒大小1-100纳米的银颗粒掺杂的ZnO薄膜；
2).取一块步骤1)所做的纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜材料，将第一电极和第二电极分别蒸镀在纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜层上，第一电极引线和第二电极引线分别焊接在第一电极和第二电极上，并且在第一电极引线和第二电极引线之间串联一个兆欧姆电阻，两个电极引线的输出端连接放大电路。
6.按权利要求5所述的制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法，其特征在于，所述的步骤1)制作纳米银颗粒掺杂的ZnO薄膜：首先制作银-氧化锌复合马赛克靶，该银-氧化锌复合马赛克靶的制作方法包括：
(1)将高纯银片制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银片贴在圆饼形氧化锌靶上制作成银-氧化锌复合马赛克靶，其中银片的面积占氧化锌面积的二分之一至二十分之一；或者
(2)以高纯银和氧化锌原料，分别制成圆形的饼，圆形的饼切成多个扇形，然后将银和氧化锌扇形的饼拼成圆形的饼，并放到靶内作成银-氧化锌复合马赛克靶，其中高纯银所占的面积从二十分之一到二分之一。
7.按权利要求5或6所述的制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法，其特征在于，所述的银和氧化锌的纯度为99％-99.999％。
8.按权利要求5所述的制备探测波长在红外至远远红外光的探测器的方法，其特征在于，所述的基片选自氧化镁、白宝石、水晶片、铝酸镧或钛酸锶材料。
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