CN102185026B - 一种柔性红外探测器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种柔性红外探测器的制备方法，包括：首先，将衬底放置在烃类或者醇类化合物的火焰上方一定距离处一段时间，直至在衬底上生长出碳纳米颗粒；其次，将碳纳米颗粒转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）上；然后，将衬底从聚二甲基硅氧烷上剥离，碳纳米颗粒被转移到聚二甲基硅氧烷上，得到柔性衬底上的碳纳米颗粒材料；最后，在碳纳米颗粒薄膜的两端制备银电极并引线封装，就得到了柔性红外探测器。本发明的方法工艺简单，通过PDMS剥离的碳纳米颗粒具有较高的红外响应，可用于制备柔性红外探测器件；同时由于器件表面具有自清洁作用，使得其可以应用于较恶劣的环境中。

Description

一种柔性红外探测器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性红外探测器的制备方法。

背景技术

近年来，有关柔性电子器件的研究已经成为了一个研究热点。柔性电子器件在携带式的电子产品以及柔性电子显示方面所展现出的优异性能，已经引起了人们越来越多的关注。柔性电子器件的研究也对相关传感器的研究提出了更高的要求，需要传感器具备高灵敏度、高可靠性和稳定性等特点。红外探测技术是热成像、光学断层扫描、遥感、夜视、热伏以及光伏太阳能电池中的关键技术，在医学诊断、实时监控、新能源等方面都有重要的用途。

硅材料本身可以探测红外，但是当光波长在800nm以上时，其光响应特性迅速衰减，不适合较长红外波段的探测，尽管一些有机光电材料以及溶液法制备的量子点对红外光具有一定的光敏特性，但是它们在空气中不太稳定，将对其进一步的发展和应用产生阻碍。利用单壁碳纳米管以及碳纳米管薄膜制备的红外探测器，其光电响应最高只有0.7％；而利用碳纳米管和有机物组成的复合材料具有相对较高的红外响应，在红外光照下，其电阻率变化为4.26％。值得注意的是，碳纳米管的电导性能是由其结构决定，它可能是金属性也可能是半导体性，以目前的生长技术还很难控制碳纳米管的电导性能，因此有可能对基于碳纳米管的红外光敏传感器下一步实用化造成一定的影响。

另外，由于电子器件在空气中受到灰尘和水蒸气等的影响会导致其性能恶化，如果采用具有自清洁功能的器件表面就可以大大降低这种影响。当有水滴落到具有自清洁特性的器件表面时，只需要轻微的振动，水滴就会从材料表面滚落，同时带走表面的灰尘等其它杂物，实现自清洁功能，降低环境对器件性能的影响。

发明内容

本发明提供了一种柔性红外探测器的制备方法，采用烃类或者醇类化合物的燃烧火焰在衬底上制备碳纳米颗粒，并通过干法转移将其转移到PDMS上，制备出柔性的碳纳米颗粒材料，在此基础上制备出柔性的红外探测器。本发明利用碳纳米颗粒较高的红外响应特性，结合PDMS的热绝缘作用，为解决碳材料红外响应普遍较低的问题提供了一条可选途径。

一种柔性红外探测器制备方法，具体为：

首先，将衬底放置在烃类或者醇类化合物的火焰上方一定距离一段时间，直至在衬底上生长出碳纳米颗粒；

然后，利用干法转移将碳纳米颗粒转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)上；

最后，将衬底从PDMS上剥离，碳纳米颗粒就被转移到PDMS上，得到柔性衬底上的碳纳米颗粒材料；

在碳纳米颗粒薄膜的两端制备银电极并引线封装，就得到了柔性红外探测器。

其中，干法转移的具体过程为：首先将PDMS按照一定比例配备，然后放入40℃-80℃烘箱中烘烤10-30分钟左右，得到半固化的PDMS；然后将衬底放置在半固化的PDMS上并压紧，保证生长有碳纳米颗粒那一面朝向PDMS，然后再次放入40℃-80℃烘箱中烘烤10-30分钟左右取出；最后将衬底从PDMS上剥离，碳纳米颗粒就被转移到PDMS上，得到柔性衬底上的碳纳米颗粒材料。

本发明的技术效果体现在：生长碳纳米颗粒以及制备柔性红外探测器的方法简单，通过PDMS剥离的碳纳米颗粒具有较高的红外响应，可用于制备柔性红外探测器件；同时由于器件表面具有自清洁作用，使得其可以应用于较恶劣的环境中。

附图说明

图1所示为碳纳米颗粒红外探测器的制备流程图。

图2所示为碳纳米颗粒的低分辨TEM图片。

图3所示为碳纳米颗粒的高分辨TEM图片。

图4所示为在PDMS上制备的红外探测器随入射红外光的开启和关闭时的电流响应。

图5所示为制作在PDMS衬底上红外探测器光电流与入射红外光的能量密度之间的关系。

图6所示为5微升的小水滴被支撑在碳纳米颗粒红外探测器的表面而不渗入器件内部。

图7所示为水滴在红外探测器表面的滚动图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

一种柔性红外探测器制备方法，具体步骤如下：

1.将衬底(如陶瓷片)切割成一定大小(如4cm×0.7cm)，用丙酮、酒精和去离子水等清洗剂依次各超声清洗5分钟，用氮气吹干备用。其中，陶瓷片可以选用氧化铝陶瓷片，另外，还可以用石英玻璃、硅片等作为衬底。

2.选用烃类或者醇类化合物的燃烧火焰作为碳纳米颗粒的碳源，并将燃烧源放置在无强烈空气对流的环境中点燃备用。本实施例中优选使用酒精灯火焰作为碳源。

3.在燃烧源燃烧一定时间(如10～15分钟)之后，将陶瓷片放置在距离燃烧源5.5cm的地方。具体时间和放置距离可以根据实际情况具体设定，以最终在衬底上生成碳纳米颗粒为准。

4.0.5～10分钟之后移开衬底，陶瓷片上即覆盖一层黑色的碳纳米颗粒。

5.将PDMS和固化剂混合均匀后放置在70℃的恒温烘箱中10～35分钟，然后将生长有碳纳米颗粒的陶瓷片面朝下放在PDMS上压紧，然后再放入70℃的恒温烘箱中，10～25分钟后取出。

6.将固化后的PDMS从陶瓷片表面剥离开来，即得到在PDMS表面的碳纳米颗粒。

7.在碳纳米颗粒薄膜的两端分别制备银电极，并引线和封装，得到柔性的红外探测器原型器件。

对制备的器件，用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)进行分析，确定陶瓷片及PDMS上碳纳米颗粒的形貌、物质结构等，并测试了样品的红外响应特性和超疏水特性等。以下结合附图进行说明。

图1所示为制备碳纳米颗粒红外探测器的流程图。(a)所示为在衬底上定域生长的碳纳米颗粒薄膜，(b)所示为预固化的PDMS，(c)将长有碳纳米颗粒的衬底面朝下放置在PDMS上，(d)将衬底从PDMS上剥离，碳纳米颗粒被转移到PDMS上，(e)器件切割成单个的分立元件，(f)制备电极并引线封装，形成器件。

图2和图3所示为碳纳米颗粒的TEM图片。从图2可以看到，碳纳米颗粒具有树枝状的形貌特征并相互缠绕在一起；从图3的高分辨透射电镜图片可以看到，碳纳米颗粒由许多具有同心结构的碳薄层叠构而成，形成类似于“洋葱”的结构。

图4所示为碳纳米颗粒红外探测器的红外响应特性。从图中可以看出，当红外光以一定的频率照射到探测器上时，探测器也会产生周期性的电流响应。探测器对波长为1064nm，频率为5赫兹，脉冲宽度为2毫秒的红外光的电流响应为～16.9％。当增大入射红外光的脉冲宽度到10毫秒时，其电流变化率能达到～52.9％，这是单壁碳纳米管薄膜的红外响应(0.7％)的75倍，是碳纳米管和聚合物组成的复合材料的红外响应(4.26％)的12倍。其响应时间和恢复时间分别为36毫秒和326毫秒，其响应时间比碳纳米管/聚合物复合材料的响应时间(60毫秒)要短，该结果说明PDMS衬底上的碳纳米颗粒具有更高和更快速的红外响应。

图5所示为不同能量密度的入射红外光照射下，碳纳米颗粒红外探测器的光电流响应。从图中可以看到，随着入射光能量密度的增加，红外探测器的电流也随之线性增大。碳纳米颗粒红外探测器最低可以在入射光能量密度为56微瓦/平方毫米时产生电流响应，该结果说明碳纳米颗粒红外探测器能探测到极低能量的红外光。

图6所示为碳纳米颗粒红外探测器的表面疏水性能测试图。从图中测得的疏水角度为150.10°，证明其具有超疏水特性。

图7描述了水滴在碳纳米颗粒在红外探测器表面的滚动过程，探测器的表面倾斜角度设置为4°。从图中可以看出，水滴在碳纳米颗粒表面能够很快的滚动而不粘滞，预示该器件具有较好的“自清洁”功能——利用水滴的滚动带走器件表面的沾污。

从上述分析可以得出结论，本发明应用碳纳米颗粒制备的柔性红外探测器，其具有较高的红外响应特性，较快的响应速度并具有自清洁功能。该方法可以很容易应用到大面积的柔性红外探测器的工业化生产以及相关产业中。这种材料在具有自清洁功能的柔性红外探测器等方面都具有很好的应用前景。

Claims (5)

1. 一种柔性红外探测器的制备方法，包括如下步骤：

首先，将衬底放置在烃类或醇类化合物的火焰上方一定距离处一段时间，直至在衬底上生长出碳纳米颗粒；

其次，将碳纳米颗粒转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）上；

然后，将衬底从聚二甲基硅氧烷上剥离，所述碳纳米颗粒被转移到聚二甲基硅氧烷上，即得到在聚二甲基硅氧烷上的碳纳米颗粒薄膜层；

最后，在所述碳纳米颗粒薄膜的两端制备银电极并引线封装，即可获得柔性红外探测器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将碳纳米颗粒转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的具体过程为：

首先将聚二甲基硅氧烷按照一定比例配备，烘烤后获得半固化的聚二甲基硅氧烷，然后将衬底放置在所述半固化的聚二甲基硅氧烷上并压紧，其中，生长有碳纳米颗粒的面朝向所述半固化的聚二甲基硅氧烷，再次烘烤后将衬底从聚二甲基硅氧烷上剥离，碳纳米颗粒即被转移到聚二甲基硅氧烷上。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为陶瓷片、石英玻璃或硅片。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述烃类或醇类化合物为酒精。

5.权利要求1-4之一所述的制备方法制备的柔性红外探测器。

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