CN101853894B - 一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器及其制备方法，所述的探测器包括玻璃基底、导电薄膜，所述的玻璃基底是石英玻璃基底，所述的导电薄膜上有作为紫外光吸收层的NiO-TiO2纳米线异质结阵列和至少一个N型欧姆电极，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列上有至少一个P型欧姆电极。所述的制备方法，包括在导电薄膜上制备NiO-TiO2纳米线异质结阵列并在NiO-TiO2纳米线异质结阵列上制备P型欧姆电极和在导电薄膜上制作N型欧姆电极。本发明的核心结构由TiO2纳米线阵列和NiO纳米线阵列通过线-线对接构成纳米线异质结阵列结构，具有外量子效率和灵敏度高、响应速度快、暗电流小、体积小巧等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光探测器技术，特别是一种用于紫外光探测的TiO2纳米线异质结阵列基紫外光探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光探测器是一种在军、民领域均得到广泛应用的光电探测器件。宽带隙半导体材料，如(Al)GaN、SiC、ZnO、金刚石等，因其优异的紫外光选择吸收性，优秀的热导、热稳定性和化学惰性，已成为替代价格昂贵、适用范围有限的光电倍增管和传统硅基探测器的首选材料。然而，尽管单晶薄膜器件的光电性能非常优异，但制备高质量的单晶半导体薄膜却一直存在很多难题需要解决，如所需设备昂贵，生长、掺杂技术难度高等。这些因素使得单晶半导体薄膜紫外光探测器的制造成本仍然很高，无法得到普及应用。
随着纳米材料和纳米光电子技术的飞速发展，制备工艺更为简易的纳米多晶薄膜结型器件的出现，为低成本、高性能紫外光探测器的制造工艺开辟了全新的道路，相关研究也已成为新的研究热点。有关纳米结构薄膜紫外光探测器的研究主要集中在纳米ZnO和纳米TiO2薄膜上。特别是近年来已广泛应用于染料敏化太阳能电池、光催化分解污染物、自清洁薄膜等领域的纳米多晶TiO2薄膜由于具有非常强的紫外光吸收特性，更是引起了人们极大的兴趣。这种材料不仅耐高温、耐用性强、物理和化学性质稳定，而且制备工艺难度较低，采用常规液相方法(如溶胶-凝胶法)即可制得高质量、性能稳定的薄膜材料。由于纳米TiO2薄膜在诸多领域的广泛应用，因此具有非常成熟的制备工艺。上述这些优点使得纳米多晶TiO2薄膜成为一种用于制备低成本、高性能紫外光探测器的理想材料。
目前，国内外研究人员以纳米多晶TiO2薄膜为基础设计了多种不同结构的紫外光电探测器件，包括液结、肖特基结、PN结型紫外光探测器，并对它们的光电性能进行了较为详细的研究，如《科学通报》2006.51(8)发表了付姚、曹望和合著的《用于紫外光传感器的透明纳米TiO2薄膜的制备》，《功能材料与器件 学报》2005，11(2)发表了张利伟、杨仕娥、姚宁等合著的《用于紫外光电导探测器的TiO2薄膜研究》。然而，尽管有关纳米多晶TiO2薄膜紫外光探测器的研究取得了一定的进展，但从所获器件性能来看，仍处于初级阶段。纳米多晶薄膜紫外光探测器的光电性能尚无法赶超单晶器件而获得应用。
经过分析不难发现，传统多晶TiO2薄膜光电性能之所以无法得到飞跃性的提高，其根本原因在于：多晶薄膜内过高的晶界和缺陷密度严重阻碍了光生电子向导电基底或金属电极的扩散，同时大量缺陷作为光生电子-空穴对的复合中心也严重降低了光生载流子的寿命。因此，即使制成结型器件，其光电性能也难以获得大幅提升。而这些问题与传统多晶TiO2薄膜晶粒间较大的无序度有很大关系。如果能够将纳米TiO2多晶薄膜的晶粒高度有序地排列起来，甚至在薄膜内形成光生载流子传输的专用通道，那么势必会使薄膜中光生载流子在传输中受到的阻碍大幅降低，从而有望使纳米多晶薄膜的光电性能获得显著的提高，使其接近甚至达到单晶器件的水平。
实际上，利用高度有序化的纳米多晶薄膜制备光电子器件已成为近年来热门的研究课题之一。有关纳米管阵列、纳米线阵列、光子晶体应用于太阳能电池、气体传感器、光催化等领域的研究均取得了不错的效果。《Applied PhysicsLetters》2008.93：133107发表了C.J.Lin，W.Y.Yu and S.H.Chien合著的《Roughconical-shaped TiO2-nanotube arrays for flexible backilluminated dye-sensitizedsolar cells》，他们的研究结果证实，具有高度有序结构的纳米多晶薄膜比传统多晶薄膜的确能够获得令人惊喜的性能提高。然而需要注意的是，高度有序化的纳米结构虽然对提高光生载流子的传输速率有很大帮助，但其对光生电子-空穴对的分离却无直接作用。因此，仅凭TiO2单质材料构成有序化薄膜很难获得理想的高光电性能。虽然，通过一些简单措施，如离子掺杂、半导体敏化等，能够在一定程度上提高薄膜光电性能，但其作用效果最多能够获得50％左右性能提高，这是远远不够的。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种成本低廉、具有高光电性能且性能稳定的纳米线异质结阵列基紫外光探测器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，包括玻璃基底、导电薄膜，所述的导电薄膜位于玻璃基底上；所述的玻璃基底是石英玻璃基底，所述的导电薄膜上有作为紫外光吸收层的NiO-TiO2纳米线异质结阵列和至少一个N型欧姆电极，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列上有至少一个P型欧姆电极。
本发明所述的导电薄膜为ITO导电薄膜或FTO导电薄膜。
本发明所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列为TiO2纳米线阵列和NiO纳米线阵列通过线-线对接构成，所述的TiO2纳米线阵列由生长方向垂直于导电薄膜的TiO2纳米线平行排列构成，且每一根TiO2纳米线上端均生长有一根NiO纳米线；所述的NiO纳米线阵列由生长在TiO2纳米线上端、生长方向与TiO2纳米线方向一致的NiO纳米线平行排列构成；所述的NiO纳米线阵列中的每一根NiO纳米线均与TiO2纳米线阵列中与之位置相同的一根TiO2纳米线相连，构成NiO-TiO2纳米线异质结。
本发明所述的P型欧姆电极和N型欧姆电极为点状结构或环形结构。
一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
A、对玻璃基底进行清洁处理；
B、在清洁处理后的玻璃基底上制备导电薄膜，获得导电玻璃基底，并对导电玻璃基底进行预处理；
C、在导电薄膜上制备NiO-TiO2纳米线异质结阵列，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列的面积小于导电薄膜的面积；
D、在NiO-TiO2纳米线异质结阵列上制备P型欧姆电极；
E、在导电薄膜上制作N型欧姆电极。
本发明所述的导电玻璃基底预处理包括以下步骤：
B1、用锡箔做掩膜，将导电玻璃基底的四周边缘遮挡住，覆盖宽度为2mm；
B2、采用真空蒸镀技术，在导电玻璃基底上制备20-25μm厚高纯Al膜；
B3、对蒸镀好的高纯Al膜进行表面清洗，除去油脂；利用高氯酸和无水乙醇混合液作为电解液进行电解抛光，获得光亮洁净的Al膜；
B4、以所得Al膜为阳极，铂片为阴极，5％磷酸为电解液，水浴中对Al膜进行一次高压阳极氧化；
B5、采用磷酸和铬酸混合液除去有序性较差的一次氧化层，并在相同条件下对Al膜进行二次氧化，制得10-15μm厚石英导电玻璃基阳极氧化铝AAO模板。
本发明所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列的制备方法包括以下步骤：
C1、在基于玻璃基底的导电薄膜上首先制备一系列垂直于导电薄膜所在平面的TiO2纳米线，使所制得的TiO2纳米线平行排列构成TiO2纳米线阵列；
C2、在TiO2纳米线阵列中的每根TiO2纳米线上分别制备一根NiO纳米线，使NiO纳米线的生长方向与TiO2纳米线一致，所制得的NiO纳米线平行排列即构成NiO纳米线阵列；
C3、用NaOH溶液溶解氧化铝AAO模板，制得NiO-TiO2纳米线异质结阵列。
本发明所述的玻璃基底厚度为0.5-2mm；导电薄膜为半导体导电薄膜或金属导电薄膜，厚度为0.5-1μm；NiO-TiO2纳米线异质结阵列厚度为0.5-11μm，其中TiO2纳米线阵列的厚度为0.05-10μm，电子浓度大于1×1018cm-3，NiO纳米线阵列的厚度为0.05-10μm，自由载流子浓度小于1×1016cm-3；TiO2纳米线长度为0.05-10μm，NiO纳米线长度为0.05-10μm。
本发明所述的P型欧姆电极和N型欧姆电极为点状结构或环形结构，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度为0.1-5μm。
本发明所述的TiO2纳米线阵列和NiO纳米线阵列的制备方法包括溶胶-凝胶法、模板法、模板-电泳沉积法、气相沉积法和磁控溅射法，所述的P型欧姆电极和N型欧姆电极的制备方法包括溅射工艺、气相沉积工艺、离子镀工艺、蒸镀工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明的核心结构由TiO2纳米线阵列和NiO纳米线阵列通过线-线对接构成纳米线异质结阵列结构，具有外量子效率和灵敏度高、响应速度快、暗电流小、体积小巧等诸多优点。
2、本发明所述的制备方法具有如下特征：纳米线阵列制备工艺简便成熟，可采用目前普遍用于制备纳米线的模板-电泳沉积技术制得，钛源为比较便宜的钛酸四丁酯、四氯化钛或硫酸氧钛，而镍源为便宜且易于购买的硝酸镍。所制备的探测器不仅成本低廉，而且使用寿命长，并且只对波长短于380nm的紫外光具有高灵敏度的响应输出，而对红外和可见光没有任何响应，可防止除紫外光以外的其它光源的干扰。
3、本发明采用宽带隙半导体材料(Eg＞3.0)NiO纳米线和TiO2纳米线分 别作为P、N型材料制成纳米线异质结，并将大量纳米线异质结平行排列制成纳米线异质结阵列，利用此NiO-TiO2纳米线异质结阵列作为光敏层制备紫外光探测器。由于纳米线所提供的传输通道可大大提高光生载流子的传输速率，而纳米线异质结内建电场对光生电子-空穴对的强制分离可显著降低光生电子-空穴对的复合几率，因此，探测器光响应速度快，响应度高，稳定性好。
4、本发明所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列具有如下特征：NiO-TiO2纳米线异质结阵列中的TiO2纳米线阵列和NiO纳米线阵列的厚度可调，可保证光吸收主要发生在空间电荷区，同时确保耗尽层电场足够强，从而有效抑制光生载流子的复合，提高探测器的响应速度。
附图说明
本发明共有附图3张，其中：
图1是纳米线异质结阵列基紫外光探测器剖面示意图。
图2是未制备P型欧姆电极的纳米线异质结阵列基紫外光探测器平面示意图。
图3是NiO-TiO2纳米线异质结阵列剖面示意图
图中，1、玻璃基底，2、导电薄膜，3、NiO-TiO2纳米线异质结阵列，4、P型欧姆电极，5、N型欧姆电极，31、TiO2纳米线阵列，32、NiO纳米线阵列，311、TiO2纳米线，321、NiO纳米线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，包括玻璃基底1、导电薄膜2，所述的导电薄膜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，所述的导电薄膜2上有作为紫外光吸收层的NiO-TiO2纳米线异质结阵列3和至少一个N型欧姆电极5，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列3上有至少一个P型欧姆电极4。所述的导电薄膜2为ITO导电薄膜2或FTO导电薄膜2。所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列3为TiO2纳米线阵列31和NiO纳米线阵列32通过线-线对接构成，所述的TiO2纳米线阵列31由生长方向垂直于导电薄膜2的TiO2纳米线311平行排列构成，且每一根TiO2纳米线311上端均生长有一根NiO纳米线321；所述的NiO纳米线阵列32由生长在TiO2纳米线311上端、生长方向与TiO2纳米线311方向一致的NiO纳米线321平行排列构成；所述的NiO纳米线阵列32中的每一 根NiO纳米线321均与TiO2纳米线阵列31中与之位置相同的一根TiO2纳米线311相连，构成NiO-TiO2纳米线异质结。所述的P型欧姆电极4和N型欧姆电极5为点状结构或环形结构。
一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
A、对玻璃基底1进行清洁处理；
B、在清洁处理后的玻璃基底1上制备导电薄膜2，获得导电玻璃基底1，并对导电玻璃基底1进行预处理；
C、在导电薄膜2上制备NiO-TiO2纳米线异质结阵列3，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列3的面积小于导电薄膜2的面积；
D、在NiO-TiO2纳米线异质结阵列3上制备P型欧姆电极4；
E、在导电薄膜2上制作N型欧姆电极5。
所述的导电玻璃基底1预处理包括以下步骤：
B1、用锡箔做掩膜，将导电玻璃基底1的四周边缘遮挡住，覆盖宽度为2mm；
B2、采用真空蒸镀技术，在导电玻璃基底1上制备20-25μm厚高纯Al膜；
B3、对蒸镀好的高纯Al膜进行表面清洗，除去油脂；利用高氯酸和无水乙醇混合液作为电解液进行电解抛光，获得光亮洁净的Al膜；
B4、以所得Al膜为阳极，铂片为阴极，5％磷酸为电解液，水浴中对Al膜进行一次高压阳极氧化；
B5、采用磷酸和铬酸混合液除去有序性较差的一次氧化层，并在相同条件下对Al膜进行二次氧化，制得10-15μm厚石英导电玻璃基阳极氧化铝AAO模板。
所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列3的制备方法包括以下步骤：
C1、在基于玻璃基底1的导电薄膜2上首先制备一系列垂直于导电薄膜2所在平面的TiO2纳米线311，使所制得的TiO2纳米线311平行排列构成TiO2纳米线阵列31；
C2、在TiO2纳米线阵列31中的每根TiO2纳米线311上分别制备一根NiO纳米线321，使NiO纳米线321的生长方向与TiO2纳米线311一致，所制得的NiO纳米线321平行排列即构成NiO纳米线阵列32；
C3、用NaOH溶液溶解氧化铝AAO模板，制得NiO-TiO2纳米线异质结阵列3。
所述的玻璃基底1厚度为0.5-2mm；导电薄膜2为半导体导电薄膜2或金属导电薄膜2，厚度为0.5-1μm；NiO-TiO2纳米线异质结阵列3厚度为0.5-11μm，其中TiO2纳米线阵列31的厚度为0.05-10μm，电子浓度大于1×1018cm-3，NiO纳米线阵列32的厚度为0.05-10μm，自由载流子浓度小于1×1016cm-3；TiO2纳米线311长度为0.05-10μm，NiO纳米线321长度为0.05-10μm。
所述的P型欧姆电极4和N型欧姆电极5为点状结构或环形结构，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度为0.1-5μm。
所述的TiO2纳米线阵列31和NiO纳米线阵列32的制备方法包括溶胶-凝胶法、模板法、模板-电泳沉积法、气相沉积法和磁控溅射法，所述的P型欧姆电极4和N型欧姆电极5的制备方法包括溅射工艺、气相沉积工艺、离子镀工艺、蒸镀工艺。
所述的模板-电泳沉积法制备TiO2纳米线阵列31和NiO纳米线阵列32的步骤如下：在TiO2溶胶中，以导电玻璃基底1双通AAO模板为阴极，石墨棒为阳极，施加10-15V电压。使带正电荷的TiO2胶粒向阴极移动，并借助毛细作用进入模板微孔，在带负电的导电玻璃基底1一端不断沉积，10min后形成1-2μm长纳米线311；模板经100℃干燥30min除去多余有机成分，再经400℃焙烧1h使TiO2纳米线311内部微孔收缩，晶化，并与导电基底牢固结合；采用上述电泳沉积技术，在沉积有1-2μm长TiO2纳米线311的AAO微孔内继续沉积NiO胶粒，30min后制得5-6μm长NiO纳米线321；而后，经100℃干燥30min、400℃焙烧1h，分别除去多余有机成分并使NiO纳米线321晶化；用3mol/LNaOH溶液溶解AAO模板，制得6-8μm厚NiO-TiO2纳米线异质结阵列3。
利用偏置电压电路向紫外光探测器提供反向偏置电压。当紫外光照射到探测器石英玻璃一侧时，TiO2纳米线阵列31内产生光生电子-空穴对，在内建电场的作用下，光生电子、空穴分别向NiO纳米线阵列32和TiO2纳米线阵列31快速漂移，并经P型欧姆电极4和N型欧姆电极5分别传入外电路，产生光电流信号，从而达到紫外光探测的目的。
Claims (10)
1.一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，包括玻璃基底(1)、导电薄膜(2)，所述的导电薄膜(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)，所述的导电薄膜(2)上有作为紫外光吸收层的NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)和至少一个N型欧姆电极(5)，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)上有至少一个P型欧姆电极(4)。
2.根据权利要求1所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，其特征在于：所述的导电薄膜(2)为ITO导电薄膜(2)或FTO导电薄膜(2)。
3.根据权利要求1所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，其特征在于：所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)为TiO2纳米线阵列(31)和NiO纳米线阵列(32)通过线-线对接构成，所述的TiO2纳米线阵列(31)由生长方向垂直于导电薄膜(2)的TiO2纳米线(311)平行排列构成，且每一根TiO2纳米线(311)上端均生长有一根NiO纳米线(321)；所述的NiO纳米线阵列(32)由生长在TiO2纳米线(311)上端、生长方向与TiO2纳米线(311)方向一致的NiO纳米线(321)平行排列构成；所述的NiO纳米线阵列(32)中的每一根NiO纳米线(321)均与TiO2纳米线阵列(31)中与之位置相同的一根TiO2纳米线(311)相连，构成NiO-TiO2纳米线异质结。
4.根据权利要求1所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器，其特征在于：所述的P型欧姆电极(4)和N型欧姆电极(5)为点状结构或环形结构。
5.一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对玻璃基底(1)进行清洁处理；
B、在清洁处理后的玻璃基底(1)上制备导电薄膜(2)，获得导电玻璃基底(1)，并对导电玻璃基底(1)进行预处理；
C、在导电薄膜(2)上制备NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)，所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)的面积小于导电薄膜(2)的面积；
D、在NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)上制备P型欧姆电极(4)；
E、在导电薄膜(2)上制作N型欧姆电极(5)。
6.根据权利要求5所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：所述的导电玻璃基底(1)预处理包括以下步骤：
B1、用锡箔做掩膜，将导电玻璃基底(1)的四周边缘遮挡住，覆盖宽度为2mm；
B2、采用真空蒸镀技术，在导电玻璃基底(1)上制备20-25μm厚高纯Al膜；
B3、对蒸镀好的高纯Al膜进行表面清洗，除去油脂；利用高氯酸和无水乙醇混合液作为电解液进行电解抛光，获得光亮洁净的Al膜；
B4、以所得Al膜为阳极，铂片为阴极，5％磷酸为电解液，水浴中对Al膜进行一次高压阳极氧化；
B5、采用磷酸和铬酸混合液除去有序性较差的一次氧化层，并在相同条件下对Al膜进行二次氧化，制得10-15μm厚石英导电玻璃基阳极氧化铝AAO模板。
7.根据权利要求5所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：所述的NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)的制备方法包括以下步骤：
C1、在基于玻璃基底(1)的导电薄膜(2)上首先制备一系列垂直于导电薄膜(2)所在平面的TiO2纳米线(311)，使所制得的TiO2纳米线(311)平行排列构成TiO2纳米线阵列(31)；
C2、在TiO2纳米线阵列(31)中的每根TiO2纳米线(311)上分别制备一根NiO纳米线(321)，使NiO纳米线(321)的生长方向与TiO2纳米线(311)一致，所制得的NiO纳米线(321)平行排列即构成NiO纳米线阵列(32)；
C3、用NaOH溶液溶解氧化铝AAO模板，制得NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)。
8.根据权利要求5所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：所述的玻璃基底(1)厚度为0.5-2mm；导电薄膜(2)为半导体导电薄膜(2)或金属导电薄膜(2)，厚度为0.5-1μm；NiO-TiO2纳米线异质结阵列(3)厚度为0.5-11μm，其中TiO2纳米线阵列(31)的厚度为0.05-10μm，电子浓度大于1×1018cm-3，NiO纳米线阵列(32)的厚度为0.05-10μm，自由载流子浓度小于1×1016cm-3；TiO2纳米线(311)长度为0.05-10μm，NiO纳米线(321)长度为0.05-10μm。
9.根据权利要求5所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：所述的P型欧姆电极(4)和N型欧姆电极(5)为点状结构或环形结构，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度为0.1-5μm。
10.根据权利要求5所述的一种纳米线异质结阵列基紫外光探测器的制备方法，其特征在于：所述的TiO2纳米线阵列(31)和NiO纳米线阵列(32)的制备方法包括溶胶-凝胶法、模板法、模板-电泳沉积法、气相沉积法和磁控溅射法，所述的P型欧姆电极(4)和N型欧姆电极(5)的制备方法包括溅射工艺、气相沉积工艺、离子镀工艺、蒸镀工艺。
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