CN103441180A - 一种纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用 - Google Patents

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潘亚武
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Abstract

本发明提供一种纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用，所述探测器包括基底层（1）、位于基底层上的光响应层（2），第一电极（3）和第二电极（4），分别连接第一电极引线（5）和第二电极引线（6），所述光响应层为Ni-NiO纳米线。本发明的紫外光探测器的制备方法简单，成本低廉，易于工业化批量生产。

Description

一种纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用
技术领域
本发明是关于一种纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，纳米线在紫外光探测方面的潜在用途引起了人们的极大兴趣。而大多用于用于制作紫外光探测器的纳米线为ZnO，例如文献：Suo Bai,Weiwei Wu,Yong Qin,Nuanyang Cui,Dylan J.Bayer,and Xudong Wang,High-Performance Integrated ZnONanowire UV Sensors on Rigid and Flexible Substrates，ADVANCED FUNCTIONALMATERIALS，2011,21：4464-4469和Venkata Chivukula,Daumantas Ciplys,Michael Shur,and Partha Dutta,ZnO nanoparticle surface acoustic wave UV sensor,APPLIED PHYSICSLETTERS96,233512(2010)所介绍的。这类以氧化锌等材料制作的紫外探测器，因材料自身性质（易被酸、碱、脂肪酸等材料腐蚀），不适用于油气田等恶劣环境下。
目前还没有发现采用Ni-NiO纳米线制作紫外光纳米线探测器的报道。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新材料制备的纳米线紫外光探测器。本发明的探测器是采用Ni-NiO纳米线制作，响应快、制作简单、价格低廉，在紫外光探测、目标跟踪方面具有广阔前景。
本发明的另一目的在于提供所述纳米线紫外光探测器的制备方法。
本发明的再一目的在于提供一种测量连续紫外光或者脉冲紫外光的强度的方法。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种纳米线紫外光探测器，所述探测器包括：基底层1、位于基底层上的光响应层2，第一电极3和第二电极4，分别连接第一电极引线5和第二电极引线6，所述光响应层为Ni-NiO纳米线。
本发明主要在于光响应层材料的选择，即采用Ni-NiO制成光响应层。探测器本身结构可以参照现有技术类似产品的结构，即可得到本发明的Ni-NiO纳米线紫外光探测器。
然而为了进一步提高本发明的探测器的性能，本发明优选采用如下结构的探测器：
根据本发明具体的实施方案，优选所述第一电极3和第二电极4分别设置在所述基底层1和光响应层2的上下两端。
根据本发明具体的实施方案，优选所述Ni-NiO纳米线垂直于基底层或平行于基底层；
所述Ni-NiO纳米线为纳米线阵列或单根排列的Ni-NiO纳米线。
其中优选所述纳米线阵列的每个单元的面积为1cm×1cm；
当所述纳米线垂直于基底层时，纳米线分布密度为1～50根/um2，优选为11根/μm2；
当所述纳米线平行于基底层时，纳米线分布密度为1000～16000根/mm2，优选为8000根/mm2。
单根Ni-NiO纳米线为平行于基底排列。
根据本发明具体的实施方案，优选所述Ni-NiO纳米线直径为5～500nm，高度为10～500μm；
受本发明的纳米线结构要求，纳米线直径过小会导致器件变形，而直径过大则会导致性能下降。
其中再优选直径为250nm，高度为50μm。
根据本发明具体的实施方案，优选所述探测器还包括连接于第一电极引线和第二电极引线之间的放大电路或电压测试设备；
所述的电压测试设备用来测量光生电压。
再优选所述电压测试设备为电压放大器或示波器。
根据本发明具体的实施方案，优选所述探测器还包括连接于第一电极引线和第二电极引线之间的电阻7和/或电容7’；
其中再优选所述电阻阻值为1Ω～1MΩ，优选所述电容容量为1pF～500μF；
其中更优选所述电阻阻值为1MΩ，所述电容容量为500μF。
通过设置电阻和/电容，可以加快响应速度。
本发明所述的基底层的材质可以参照现有技术类似产品的材质，为了进一步提高本发明探测器的性能，本发明优选采用金、银或铂中的一种。
本发明还可以进一步优选所述电极的形状为点状、线状或平面状；
所述电极可以优选用真空镀膜、磁控溅射光刻或化学腐蚀方法制备；本领域技术人员均清楚知晓这些方法的操作。
另一方面，本发明还提供了所述纳米线紫外光探测器的制备方法，
所述制备方法包括如下步骤：
（1）纳米线的生长：用模板制备纳米线，去除未与基底层相接触的模板，氧化处理，得到Ni-NiO纳米线阵列；
（2）将制备好的Ni-NiO纳米线阵列切割，设置第一电极和第二电极，以及分别和第一电极、第二电极连接的第一电极引线和第二电极引线。
根据本发明具体的实施方案，优选步骤（1）制备纳米线是用刻蚀法、凝胶溶胶法、水热法或直流电泳法制备，优选用直流电泳法。
本发明所述的电泳条件可以参考现有技术，电泳条件的具体参数并不影响本发明首要目的的实现，然而为了进一步提高本发明的纳米线质量，本发明还可以优选所述直流电泳条件为：直流电泳法，生长参数：1、反应液（80.46g/L Ni2SO4·7H2O，45g/L H3BO4，加入硫酸调节ph值至3）；2、电流密度（电流：起始电流为6mA/cm2，两分钟后降低为3mA/cm2）；3、反应时间（3小时）；4、反应温度（15至30摄氏度）。
根据本发明具体的实施方案，优选步骤（1）所述模板为氧化铝模板，模板孔径为250nm，孔间隔为70nm；所述氧化处理条件为：压强为0.01～0.02Mpa，氧化温度为400℃，氧化时间为8小时，升温降温速率均为10℃/min。
所述的氧化无需加入任何的氧化剂或者助剂，仅仅依靠空气中的氧气即可。
本发明还可以再进一步优选，所述的氧化操作为：在氧化之前，应使用500g/L的氢氧化钠溶液浸泡7分钟左右，去除1/3至1/2模板；然后清洗，再氧化，得到部分氧化的纳米线。
其中可以按照现有技术其他紫外光探测器中纳米线氧化处理的过程，在相应部位去除1/3至1/2模板，然后进行部分氧化。
这种去除1/3至1/2模板的操作为本领域常规技术手段，无需本领域技术人员付出更多的创造性劳动。
根据本发明具体的实施方案，优选步骤（2）所述固定为用银胶结，第一电极引线和第二电极引线用银胶结在第一电极和第二电极上。
另一方面，本发明还提供了所述纳米线紫外光探测器的应用，由于本发明的纳米线紫外光探测器输出光敏信号反应快，时间短，可达到100个纳秒，随着紫外光强度的变化，光生电压信号的极值也清楚而且可分辨，可以用来测量连续紫外光或者脉冲紫外光的强度。即，本发明还提供了一种测量连续紫外光或者脉冲紫外光的强度的方法，其中是应用本发明所述的纳米线紫外光探测器进行测量。
综上所述，本发明提供了一种纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用。本发明所提供的纳米线紫外光探测器具有如下优点：
本发明的紫外光探测器的制备方法简单，成本低廉，易于工业化批量生产。该器件输出光敏信号反应快，时间短，可达到100个纳秒，随着紫外光强度的变化，光生电压信号的极值也清楚而且可分辨，可以用来测量连续紫外光或者脉冲紫外光的强度，同时能够在高温、高压以及酸碱等条件保持稳定。该紫外探测器紫外光检测波段较宽，不仅可以检测各个波段的紫外光，也可用于连续波长的紫外光检测。由纳米线阵列构成的探测器结构，可增大探测器对紫外光的吸收，大大增强光生电压信号幅值。本发明提供的采用Ni-NiO纳米线制作的紫外光探测器件在工业（如，机床的位置控制、目标跟踪、精密定位）、国防（如，紫外光准直、光源跟踪）等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是利用Ni-NiO纳米线制作的紫外光探测器件的优选实施例的结构示意图；
图2是利用Ni-NiO纳米线制作的紫外光探测器件的另一优选实施例的结构示意图；
图3是本发明的探测波长为248nm紫外脉冲激光照射探测器所产生的光生伏特信号图；
图4是入射角为90°时365nm紫外光照射下的光生伏特信号；
图5是本发明的探测波长为365nm紫外光照射探测器所产生的光生伏特信号图；
图6是本发明的探测模拟太阳光照射探测器所产生的光生伏特信号图；
图7为实施例3紫外探测器的I-V曲线测量图；
图8为氧化锌纳米线紫外探测器的信号图。
附图标号说明：
1基底  2光响应层  3第一电极  4第二电极
5第一电极引线  6第二电极引线  7电阻。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
本发明提供的紫外光探测器可以包括以下具体结构：
如图1所示，该紫外光探测器包括：基底1；厚度为50微米的光响应层2，生长于基底1上，光响应层2为Ni-NiO纳米线阵列层；第一电极3和第二电极4分别设置在基底1和光响应层2的上下两端，分别连接第一电极引线5和第二电极引线6；阻值为1Ω-1MΩ的电阻（R）7，连接于第一电极引线5和第二电极引线6之间。
如图2所示，该紫外光探测器包括：基底1；厚度为250nm的光响应层2，生长于基底1上，光响应层2为单根Ni-NiO纳米线；第一电极3和第二电极4分别设置光响应层2的左右两端，分别连接第一电极引线5和第二电极引线6；阻值为1Ω-1MΩ的电阻（R）7，连接于第一电极引线5和第二电极引线6之间。
实施例1
下面结合附图和实施例对本实施例提供的紫外光探测器的结构以及制备进行详细地说明。
参考图1，制备以Ni-NiO纳米线材料制作光响应层的紫外光探测器件：选用直流电泳沉积设备，利用氧化铝模板直接生长Ni纳米线，厚度为50um，直径为250nm，在去除部分模板后，经过高温氧化，得到Ni-NiO纳米线样品；所述直流电泳条件为：直流电泳法。生长参数：1、反应液（80.46g/L Ni2SO4·7H2O，45g/L H3BO4，加入硫酸调节ph值至3）；2、电流密度（电流：起始电流为6mA/cm2，两分钟后降低为3mA/cm2）；3、反应时间（3小时）；4、反应温度（15至30摄氏度）；所述的氧化操作为：在氧化之前，应使用500g/L的氢氧化钠溶液浸泡7分钟左右，去除1/3至1/2模板；然后清洗，再氧化，通过控制氧化条件，得到部分氧化的纳米线。所述的氧化条件为：压强为0.01～0.02Mpa，氧化温度为400℃，氧化时间为8小时，升温降温速率均为10℃/min。
把制备好的Ni-NiO纳米线样品切割成尺寸为1×1cm2的芯片2，用银胶在左右边的表面对称位置上，设置第一电极3和第二电极4成为一组，其中第一电极为银，第二电极为金，电极3约为1mm2；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别用银胶接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联阻值为1MΩ的电阻（R）7，这样探测器就制备完成。
用波长为248nm的脉冲激光照射这个紫外光探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，得到光生伏特信号。图4是本发明的探测波长为248nm紫外脉冲激光照射探测器所产生的光生伏特信号图。
用波长为365nm的连续紫外光照射这个紫外光探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，得到光生伏特信号。图5是本发明的探测波长为365nm紫外光照射探测器所产生的光生伏特信号图。
从图4、图5可以看出，该紫外探测器可探测脉冲紫外光，信号明显，反应迅速；也可探测连续紫外光，信号明显、稳定，反应迅速；并且对248nm、365nm两个波段的紫外光均有响应。
实施例2
下面结合附图和实施例对本实施例提供的紫外光探测器的结构以及制备进行详细地说明。
参考图2，制备以Ni-NiO纳米线材料制作光响应层的紫外光探测器件：选用直流电泳沉积设备，利用氧化铝模板直接生长Ni纳米线，厚度为50um，直径为250nm，在去除部分模板后，经过高温氧化，得到Ni-NiO纳米线样品；所述直流电泳条件为：直流电泳法。生长参数：1、反应液（80.46g/L Ni2SO4·7H2O，45g/L H3BO4，加入硫酸调节ph值至3）；2、电流密度（电流：起始电流为6mA/cm2，两分钟后降低为3mA/cm2）；3、反应时间（3小时）；4、反应温度（15至30摄氏度）；所述的氧化操作为：在氧化之前，应使用500g/L的氢氧化钠溶液浸泡7分钟左右，去除1/3至1/2模板；然后清洗，再氧化，通过控制氧化条件，得到部分氧化的纳米线。所述的氧化条件为：压强为0.01～0.02Mpa，氧化温度为400℃，氧化时间为8小时，升温降温速率均为10℃/min。
把制备好的Ni-NiO纳米线样品完全去除氧化铝模板，得到单根Ni-NiO纳米线2，并排列在硅基底1上。设置第一电极3和第二电极4成为一组；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联阻值为1MΩ的电阻（R）7，这样探测器就制备完成。
用波长为248nm的脉冲激光照射这个紫外光探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，得到光生伏特信号图与图4类似。
用波长为365nm的连续紫外光照射这个紫外光探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，得到光生伏特信号图与图5类似。
实施例3
下面结合附图和实施例对本实施例提供的紫外光探测器的结构以及制备进行详细地说明。
参考图3，制备以Ni-NiO纳米线材料制作光响应层的紫外光探测器件：选用直流电泳沉积设备，利用氧化铝模板直接生长Ni纳米线，厚度为50um，直径为250nm，在去除部分模板后，经过高温氧化，得到Ni-NiO纳米线样品；把制备好的Ni-NiO纳米线样品切割成尺寸为1×1cm2的芯片2，用银胶在左右边的表面对称位置上，设置第一电极3和第二电极4成为一组，其中第一电极为银，第二电极为金，电极3约为1mm2；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别用银胶接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联电压测量器或示波器（V）7，这样探测器就制备完成。
用波段180nm至2000nm的氙灯光源模拟同等光强的太阳光，使用该紫外探测器测量该模拟太阳光，测量电极3、4间输出光生伏特电压信号。图6是本发明的探测模拟太阳光照射探测器所产生的光生伏特信号图。从图6可以看出，该紫外探测器可测量连续波长的紫外光，信号幅值大，信号差可达40V，反应迅速，上升响应时间为11秒。
图7为该紫外探测器的I-V曲线测量，从图中可以看出，暗场电流与亮场电流差值明显，电流差值可达暗场电流10倍以上。
对比例1
图8为现有氧化锌纳米线紫外探测器的信号图。从图中可以看出：该器件的上升响应时间为300至400秒。而本发明的上升时间远远短于该文献中的器件，仅为11至18秒。
该氧化锌纳米线紫外探测器具体可以参考如下文献：
文献：High-Performance Integrated ZnO Nanowire UV Sensors on Rigid and FlexibleSubstrates，
作者：Suo Bai,Weiwei Wu,Yong Qin,Nuanyang Cui,Dylan J.Bayerl,and XudongWang，
来源：Adv.Funct.Mater.2011,21,4464–4469。

Claims (10)

1.一种纳米线紫外光探测器，其特征在于，所述探测器包括基底层（1）、位于基底层（1）上的光响应层（2），第一电极（3）和第二电极（4），分别连接第一电极引线（5）和第二电极引线（6），所述光响应层为Ni-NiO纳米线。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述Ni-NiO纳米线为纳米线阵列，优选所述纳米线阵列的每个单元的面积为1cm×1cm；所述Ni-NiO纳米线垂直于基底层（1）；或者所述Ni-NiO纳米线为单根纳米线，所述Ni-NiO纳米线平行于基底层（1）；当所述纳米线垂直于基底层（1）时，纳米线分布密度为1～50根/um2，更优选为11根/um2，当纳米线平行于基底层（1）时，纳米线分布密度为1000～16000根/mm2，更优选为8000根/mm2。
3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述Ni-NiO纳米线直径为5～500nm，长度为10～500μm，优选直径为250nm，长度为50μm。
4.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述探测器还包括连接于第一电极引线（5）和第二电极引线（6）之间的放大电路或电压测试设备，优选所述电压测试设备为电压放大器或示波器。
5.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述探测器还包括连接于第一电极引线和第二电极引线之间的电阻（7）和/或电容（7’），优选所述电阻阻值为1Ω～1MΩ，所述电容容量为1pF～500μF；更优选所述电阻阻值为1MΩ，所述电容容量为500μF。
6.权利要求1～5任意一项所述纳米线紫外光探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）纳米线的生长：用模板制备纳米线，去除未与基底层相接触的模板，氧化处理，得到Ni-NiO纳米线阵列；
（2）将制备好的Ni-NiO纳米线阵列切割，设置第一电极和第二电极，以及分别和第一电极、第二电极连接的第一电极引线和第二电极引线。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1）制备纳米线是用刻蚀法、凝胶溶胶法、水热法或直流电泳法制备，优选用直流电泳法。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1）中是利用氧化铝模板的直流电泳方法制备纳米线，模板孔径为250nm，孔间隔为70nm；所述氧化处理条件为：压强为0.01～0.02Mpa，氧化温度为400℃，氧化时间为8小时，升温降温速率均为10℃/min。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述固定为用银胶结，第一电极引线和第二电极引线用银胶结在第一电极和第二电极上。
10.一种测量连续紫外光或者脉冲紫外光的强度的方法，其中是应用权利要求1～5任一项所述的纳米线紫外光探测器进行测量。
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