CN108447939A - 一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法，其中，所述光电传感器包括设置在衬底上的N型半导体薄膜和P型半导体薄膜，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜不重叠的两端分别固定一金属电极。本发明提供的光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖紫外光区域，可广泛用于弱光检测、紫外探测等。
Description
技术领域
本发明涉及光电传感器领域，尤其涉及一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法。
背景技术
光电传感器将被吸收的光信号转换成可测量的电信号，在测量时不与被测对象直接接触、发生摩擦或者挤压，可以实现无损伤探测行为，还可以实时的测量动态变化，具有良好的绝缘性与稳定性，这对于许多应用来说是至关重要的，例如光通信、生物医学成像、激光测距和运动检测。
目前光电传感器一昧追求光响应率与响应时间，较少考虑其柔韧性与透明度，这导致其在光电传感应用上未能有更广泛的拓展。普遍应用的高响应光电传感器材料制备条件较为苛刻，阻碍了高输出、快响应、透明、柔性的新型传感器的大规模生产进程，不同于以往的只有原子层厚度（小于1nm）的石墨烯，本发明的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜是一种厚度为70nm-200nm的碳基薄膜材料。进一步地，现有碳膜/P型硅光电传感器，仅可针对可见光和近红外光范围进行探测，对于紫外光线利用率非常差。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法，旨在解决现有光电传感器柔韧性与透明度较差、光电响应速度慢以及对紫外光线的利用率较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，包括设置在衬底上的N型半导体薄膜和P型半导体薄膜，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜不重叠的两端分别固定一金属电极。
所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，所述N型半导体薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。
所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，所述P型半导体薄膜为碘化亚铜透明薄膜。
所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。
所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，所述金属电极的材料为金。
所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其中，所述N型半导体薄膜与P型半导体薄膜重叠的区域占N型半导体薄膜总面积的1/5-4/5。
一种柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：
预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；
采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜转移到新的二氧化硅基底上；
将预先制备好的碘化亚铜透明薄膜机械剥离并通过定点转移的方法将所述碘化亚铜透明薄膜转移至所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的上方，所述碘化亚铜透明薄膜与所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间部分重叠，所述部分重叠区域形成光电异质结；
在所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与所述碘化亚铜透明薄膜不重叠的两端分别设置一金属电极。
所述柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：
将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中， 待所述二氧化硅基底腐蚀后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。
有益效果：本发明提供的柔性透明紫外异质结光电传感器中，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述光电异质结增加了光电响应范围，可以延伸到紫外区域。本发明的光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖紫外光区域，可广泛用于弱光检测、紫外探测等。
附图说明
图1为本发明一种柔性透明紫外异质结光电传感器较佳实施例的结构示意图。
图2为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与碘化亚铜透明薄膜形成的异质结在反向偏置光照下的能带图。
具体实施方式
本发明提供了一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种柔性透明紫外异质结光电传感器较佳实施例的结构示意图，如图所示，所述柔性透明紫外异质结光电传感器包括设置在衬底3上的N型半导体薄膜1和P型半导体薄膜2，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜不重叠的两端分别固定一金属电极4。
具体来讲，本发明在衬底上制成了由N型半导体薄膜和P型半导体薄膜组成的范德华结构异质结，当光源发射特定波长的紫外光至所述范德华结构异质结上时，光子能量激发P型半导体薄膜生成光电子，利用N型半导体薄膜的光电子俘获效应产生光电信号，生成光电流。本发明提供的柔性透明紫外异质结光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖紫外光区域。
优选地，在本发明中，所述P型半导体薄膜优选为碘化亚铜透明薄膜。所述碘化亚铜透明薄膜为柔性透明的。本发明采用磁控溅射方法制备碘化亚铜透明薄膜，在制备过程中，以铜盘作为直流溅射靶，通过连接到加热的碘源针阀引入碘蒸汽，将生成的碘化亚铜溅射沉积在二氧化硅基底上，形成碘化亚铜透明薄膜。
进一步地，在本发明中，所述N型半导体薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜为柔性半透明的。本发明采用等离子体低能电子照射方法诱导生长出透明垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，在制备过程中，采用ECR（电子回旋共振）方法，以氩气等离子体作为照射电子源，通过直流溅射碳靶在二氧化硅基底表面生长碳纳米薄膜，再利用低能电子照射在所述碳纳米薄膜上诱导生长石墨烯纳晶。
优选地，本发明采用ECR设备，通过低能电子照射时间来控制垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度。优选所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度为70-200nm，若所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度大于200nm，则影响透光性能，若所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度低于70nm，则不太利于石墨烯纳晶的生长。当垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度为70-200nm时，既可保证其透光性能，同时还能够保证石墨烯嵌入式碳膜具有大量的边界量子势阱，从而极大地提高其俘获电子的能力，进而提升光电传感器的光电反应速度。
更进一步地，本发明将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在质量浓度为10-20%的氢氟酸中，浸泡1-5min后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，并通过定点转移的方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜转移至新的二氧化硅基底上。
最后，利用散装材料的胶带将溅射形成的碘化亚铜透明薄膜机械剥离，并利用定点转移的方法将所述碘化亚铜透明薄膜转移至所述垂直生长的石墨烯嵌入式碳膜上，所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与所述碘化亚铜透明薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成碳膜/碘化亚铜异质结；在所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与所述碘化亚铜透明薄膜不重叠的两端分别设置一金属电极，具体可通过显微操作器将所述金属电极倾斜，与所述碳膜/碘化亚铜异质结对准并在高倍的光学显微镜下进行分配，形成范德华结构的光电传感器。
优选地，在本发明中，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述金属电极的材料为金。
更优选地，在本发明中，所述N型半导体薄膜与P型半导体薄膜重叠的区域占N型半导体薄膜总面积的1/5-4/5。在该范围内，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成的异质结光电反应速度更快。
下面通过一具体实施例对本发明提供的一种柔性透明紫外异质结光电传感器的光电相应性能进行测试，所述实施例中以垂直生长石墨烯嵌入式碳膜作为N型半导体薄膜，以碘化亚铜透明薄膜作为P型半导体薄膜，作为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的接触材料。图2为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与碘化亚铜透明薄膜形成的异质结在反向偏置光照下的能带图。
在光照下，光子能量使得碘化亚铜透明薄膜和石墨烯嵌层内部的价带电子激发到导带，光子激发碘化亚铜透明薄膜生成的光电子在于空穴复合之前，被石墨烯的边界量子势阱俘获，产生开路电压，生成光电流。通过多组重复试验，在不同波长的入射光的照射下，检测碳膜/碘化亚铜异质结光电传感器的开路电压、光生电流以及对光信号的反应时间。最终测得的结果是，本发明提供的柔性透明紫外异质结光电传感器对光信号的反应时间平均为0.31微秒，恢复时间平均为0.65微秒，显然本发明提供的光电传感器的光电反应速度得到了显著的提升。
具体地，本发明还提供一种柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：
预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；
采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜转移到新的二氧化硅基底上；
将预先制备好的碘化亚铜透明薄膜机械剥离并通过定点转移的方法将所述碘化亚铜透明薄膜转移至所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的上方，所述碘化亚铜透明薄膜与所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间部分重叠，所述部分重叠区域形成光电异质结；
在所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与所述碘化亚铜透明薄膜不重叠的两端分别设置一金属电极。
所述柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述步骤采用磁控溅射法在二氧化硅基底上制备碘化亚铜透明薄膜，具体包括：
采用磁控溅射法，以铜盘作为直流溅射靶，通过连接到加热的碘源的针阀引入碘蒸汽，将生成的碘化亚铜沉积在二氧化硅基底上，形成碘化亚铜透明薄膜。
所述柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述氢氟酸的质量浓度为10-20%。
所述柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：
将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中，浸泡1-5min后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。
综上所述，本发明提供一种柔性透明紫外异质结光电传感器及其制备方法，本发明利用N型垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与P型碘化亚铜透明薄膜形成异质结，N型垂直生长石墨烯嵌入式碳膜为柔性半透明的，P型碘化亚铜透明薄膜为柔性透明的。该异质结应用于光电传感器之中，提高了光电传感器的光响应率、加快了其光响应时间与将光电响应范围延伸至紫外区域。另外本传感器的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与碘化亚铜透明薄膜为透明、柔性材质，易于范德华异质结形成与加工，以及利于大面积生产，拓展光电传感器的应用。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，包括设置在衬底上的N型半导体薄膜和P型半导体薄膜，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述N型半导体薄膜和P型半导体薄膜不重叠的两端分别固定一金属电极。
2.根据权利要求1所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，所述N型半导体薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。
3.根据权利要求1所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，所述P型半导体薄膜为碘化亚铜透明薄膜。
4.根据权利要求1所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，所述金属电极的材料为金。
6.根据权利要求1所述的柔性透明紫外异质结光电传感器，其特征在于，所述N型半导体薄膜与P型半导体薄膜重叠的区域占N型半导体薄膜总面积的1/5-4/5。
7.一种柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；
采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜转移到新的二氧化硅基底上；
将预先制备好的碘化亚铜透明薄膜机械剥离并通过定点转移的方法将所述碘化亚铜透明薄膜转移至所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的上方，所述碘化亚铜透明薄膜与所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间部分重叠，所述部分重叠区域形成光电异质结；
在所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜与所述碘化亚铜透明薄膜不重叠的两端分别设置一金属电极。
8.根据权利要求7所述柔性透明紫外异质结光电传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：
将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中， 待所述二氧化硅基底腐蚀后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。
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