CN110739399B - 柔性垂直结构npb/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器及其制备方法，属于光电子技术领域，尤其是一种柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器及其制备方法。该探测器自下而上依次是：聚酯薄膜层、ITO薄膜阳极电极层、氮掺杂石墨烯薄膜层、NPB薄膜层及、Al阴极电极层。探测器是在ITO薄膜阳极电极层上依次转移已制备好的氮掺杂石墨烯薄膜层，高真空蒸镀NPB薄膜层和Al阴极电极层获得。本发明的探测器为光伏型柔性紫外探测器，可以在零偏置或低电压偏置条件下工作，因此器件功耗低，高探测率。

Description

柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，尤其是一种柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器及其制备方法。
背景技术
紫外探测器被广泛应用于环境保护、紫外通信、天文学观测、生物医学研究和医疗卫生等领域。目前，用于制备紫外探测器的材料主要有GaN、ZnO以及Si等材料体系。由于Si基紫外探测器需要成本高的滤波片，因此限制了Si基紫外探测器的应用。GaN材料则因其制备温度高，且Mg掺杂的p型GaN不易获得，阻碍了GaN基紫外探测器的发展。
然而，器件和半导体材料与人类的生产和生活息息相关。随着各领域技术的发展，使人们对减小半导体器件的特征尺寸，制备纳米尺寸的电子器件的研制程度提出了越来越高的要求。此外，制备轻便和柔性可弯曲的光电器件是另一个重要发展方向，将推动便携设备和可穿戴设备的商业化应用。但传统的半导体器件基于晶体硅等块体半导体材料制造。随着器件设计尺寸的不断减小，块体半导体材料的比表面积增加，材料表面的悬挂键会造成器件的漏电流和功耗上升，表面化学反应也会导致器件工作稳定性下降。另外，块体半导体本身具有脆性，难以作为制造柔性电子器件的材料。
石墨烯是最早发现的二维材料，具有载流子迀移率高，导电性强，透光率高，力学强度高等特点。相比于块体半导体材料，二维材料的优势在于其表面没有悬挂键，不存在表面积增加造成的漏电流问题。另外，二维材料可以自由弯曲，内部有较强的共价键结合，能够承受较大的拉伸。现有的技术中，基于石墨烯的光电器件的制备存在着一些困难。如运用刻蚀剥离方法在硬质基底(如硅片)表面制备电子器件的方法不能实现大面积器件的批量制备和柔性器件的制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能、大面积制备NPB/N-graphene异质结柔性紫外探测器的方法，能有效解决现有石墨烯光电器件制备困难的问题。
本发明的技术方案：
本发明柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器，其特征在于该探测器自下而上依次是：聚酯薄膜层、ITO薄膜阳极电极层、氮掺杂石墨烯薄膜层、NPB薄膜层及Al阴极电极层；
所述的聚酯薄膜层、ITO薄膜阳极电极层构成衬底；
所述的氮掺杂石墨烯(N-graphene)薄膜层厚度为10～40nm；
所述的Al阴极电极层厚度为80～100nm。
柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于该探测器是在ITO薄膜阳极电极层上依次转移已制备好的氮掺杂石墨烯薄膜层，高真空蒸镀NPB薄膜层和Al阴极电极层获得。
所述的柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于氮掺杂石墨烯薄膜利用化学气相沉积(CVD)法合成，并采用酮刻蚀PMMA法转移氮掺杂石墨烯薄膜到衬底上。
所述的NPB薄膜层和Al阴极电极层采用蒸镀法获得。
NPB是一种有机小分子，其全称为N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺。氮掺杂石墨烯(N-graphene)为n型电子传输材料。
本发明的探测器是通过将空穴传输层物质NPB和电子传输物质N-graphene，经转移和真空蒸镀单独成膜，形成“异质结”。在任何位置上产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体和受体的界面。从而使电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成正负载流子也可以通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。工艺上具有工艺简单，低成本，底偏压，高响应度，高探测率和制成柔性器件等优点。
本发明的探测器为光伏型柔性紫外探测器，可以在零偏置或低电压偏置条件下工作，因此器件功耗低，高探测率。与典型的有机和无机材料组成的器件探测率相比(如：Polymer PD探测率3.90×1010cmHz1/2W-1，TAPC:BAlq探测率3.24×1011cmHz1/2W-1，ZnOnanobridge探测率达6.25×1011cmHz1/2W-1)，本发明器件的探测率高达9.6×1011cmHz1/ 2W-1，比之前列出材料组成的器件还要高，使得本发明的探测器具有优良的性能。
附图说明
图1是实施例1探测器结构示意图。
图2是实施例1探测器NPB的紫外-可见吸收谱。
图3是实施例1探测器N-graphene的紫外-可见吸收谱。
图4是实施例1探测器无光照和紫外光照射条件下的J-V曲线图。
图5是实施例1探测器场效应曲线图。
图6是实施例1探测器的探测率图。
其中，其中，聚酯薄膜层1、金丝电极线2、ITO薄膜阳极电极层3、氮掺杂石墨烯薄膜层4、NPB薄膜层5、Al阴极电极层6。
具体的实施方式
实施例1：柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器，为垂直多层结构，自下而上依次是聚酯薄膜层1、ITO薄膜阳极电极层3、氮掺杂石墨烯薄膜层4、NPB薄膜层5、Al阴极电极层6。
ITO薄膜阳极电极层3由金丝电极线2引出作为导线。
其中，氮掺杂石墨烯薄膜层4的厚度为20nm。
Al阴极电极层6的厚度为90nm。
该探测器制作方法是在ITO薄膜阳极电极层3上依次转移已制备好的氮掺杂石墨烯薄膜层4，高真空蒸镀NPB薄膜层5和Al阴极电极层6，具体步骤如下：
S1，衬底清洗，将聚酯薄膜层和ITO薄膜阳极电极层构成的衬底依次用丙酮、无水醇、去离子水各超声清洗15分钟，取出后用氮气抢吹干，获得清洁的衬底。
S2，进一步改善衬底表面亲水性，需要对衬底进行表面处理，用去离子水、氨水及双氧水按体积比4：1：1构成的混合溶液在100℃条件下水浴1～2h，然后取出并用去离子水冲洗便于彻底清涂衬底表面吸附的灰尘、有机物等杂质，再次用氮气吹干备用。
S3，利用化学气相沉积(CVD)法合成氮掺杂石墨烯薄膜：
首先，将用作生长基质的25μm厚铜箔(Alfa Aesar)装入炉内石英管的中心，并将含有1.3g三聚氰胺的石英小舟(用作唯一碳源)放入炉外上游侧的石英管中，距其5cm处，系统抽空至0.7Pa压强；
然后，在温度加热至700℃条件下，分别通入50sccm的H2和100sccm的Ar，退火铜箔20分钟，以除去其表面氧化层；
其次，当温度达到生长温度960℃时，增大H2和Ar气流量，对应分别变为400sccm和600sccm，将三聚氰胺粉末随之带入反应温区；生长时间为30min，H2和Ar的流量保持不变；
最后，在H2/Ar气环境下，以60℃/min的冷却速率将系统冷却到室温，得到氮掺杂石墨烯薄膜。#
S4，氮掺杂石墨烯薄膜的转移：
首先，将长在铜箔上的氮掺杂石墨烯薄膜上面旋涂一层PMMA溶液后在120℃的干燥箱中加热蒸干1小时形成牢固的膜；
然后，将涂有PMMA，长有氮掺杂石墨烯的铜箔浸泡在氯化铁溶液中刻蚀铜箔24小时；
其次，待刻蚀完毕后用载玻片将其转移到去离子水中浸泡40min来清洗表面残留氯化铁和铜；
再次，将刻蚀完铜箔后的PMMA带有氮掺杂石墨烯薄膜转移到前述已清洗干净的目标衬底上；
最后，用丙酮刻蚀PMMA，加热蒸干即得到生长在衬底上的氮掺杂石墨烯薄膜。
S5，NPB膜蒸镀，把NPB材料放入蒸发坩埚的真空腔内中，当真空度达到2.4×10-4Pa时，开始蒸镀，其蒸镀速率为1.2～1.6nm/s。
在蒸镀过程中，薄膜的厚度和蒸发速率由一台石英振荡测厚仪监测。为了防止薄膜的成膜质量对紫外探测器性能的影响，在蒸镀有机材料的过程中，应避免薄膜加热过快，还要保证蒸发速率一定，使薄膜能够均匀生长，同时保持样品支架匀速转动，保证膜的厚度均匀。
S6，Al阴极电极层采用真空蒸镀的技术，真空腔体压强低于5×10-4Pa时开始蒸镀，其蒸镀速率为1.8～2.5nm/s，厚在90nm。
NPB薄膜层和Al阴极电极层则直接高真空沉积在衬底实现转移。
对本实施例所获得的探测器进行检测，其性能具体体现如下。
如图2所示，紫外波段有两个很强的吸收峰，对应的波长为216nm，345nm。
如图3所示，紫外波段有很强的吸收峰对应的波长为312nm。
如图4所示，暗条件下器件电流密度与紫外光照条件下电流密度比Ion/Ioff≈104，器件显示出很好光电性能。
如图5所示，为了进一步证明制备氮掺杂石墨烯薄膜是否为氮掺杂石墨烯对其制作及测试石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线(源漏电压为2.0V)。器件的狄拉克点约为-18V，显示出氮掺杂石墨烯晶格掺杂特性。
如图6所示，用Keithley 2400数字源表对已制备好的柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器进行J-V测试，在341nm紫外光照下，光电流与暗电流有十分明显的变化。反向偏压为-1.75V时，341nm紫外光(0.71mW/cm2)的照射下，器件探测率1.23×1012cm Hz1/2 W-1(1cm Hz1/2 W-1＝1 Jones)。

Claims (4)

1.柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器，其特征在于该探测器自下而上依次是：聚酯薄膜层、ITO薄膜阳极电极层、氮掺杂石墨烯薄膜层、NPB薄膜层及Al阴极电极层；
所述的聚酯薄膜层、ITO薄膜阳极电极层构成衬底；
所述的氮掺杂石墨烯(N-graphene)薄膜层厚度为10～40nm；
所述的Al阴极电极层厚度为80～100nm。
2.如权利要求1所述的柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于该探测器是在ITO薄膜阳极电极层上依次转移已制备好的氮掺杂石墨烯薄膜层，高真空蒸镀NPB薄膜层和Al阴极电极层获得。
3.如权利要求2所述的柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于氮掺杂石墨烯薄膜利用化学气相沉积(CVD)法合成，并采用酮刻蚀PMMA法转移氮掺杂石墨烯薄膜到衬底上。
4.如权利要求2所述的柔性垂直结构NPB/氮掺杂石墨烯纳米异质结紫外探测器的制备方法，其特征在于所述的NPB薄膜层和Al阴极电极层采用蒸镀法获得。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104300082A (zh) * 2014-09-02 2015-01-21 电子科技大学 一种具有电致发光与紫外探测性能的有机光电子一体化器件及其制备方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9388048B1 (en) * 2008-10-08 2016-07-12 University Of Southern California Synthesis of graphene by chemical vapor deposition
US8901536B2 (en) * 2010-09-21 2014-12-02 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Transistor having graphene base
CN101980394A (zh) * 2010-09-29 2011-02-23 昆明物理研究所 光伏型有机红外半导体探测器
KR101271951B1 (ko) * 2011-05-27 2013-06-07 포항공과대학교 산학협력단 탄소 박막 제조 방법
CN102977103B (zh) * 2012-11-29 2015-03-25 京东方科技集团股份有限公司 石墨烯衍生物及其制备方法、有机电致发光器件
CN105140400B (zh) * 2015-07-17 2017-11-24 电子科技大学 具有高电致发光性能的有机紫外探测器及其制备方法
WO2017020988A1 (en) * 2015-08-06 2017-02-09 Merck Patent Gmbh Organic semiconductor compositions and their use in the production of organic electronic devices
CN105355788A (zh) * 2015-11-06 2016-02-24 昆明物理研究所 ZnO纳米晶与有机聚合物异质结垂直结构紫外光伏探测器
CN106187892B (zh) * 2016-07-13 2019-03-15 电子科技大学 一种有机掺杂型双功能器件及其制备方法
CN108083267B (zh) * 2018-01-11 2021-04-23 昆明物理研究所 电子掺杂双层石墨烯的制备方法
CN110190195B (zh) * 2019-05-16 2021-03-30 华南理工大学 一种基于复合界面传输材料的钙钛矿光伏-发光-光探测多功能器件及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104300082A (zh) * 2014-09-02 2015-01-21 电子科技大学 一种具有电致发光与紫外探测性能的有机光电子一体化器件及其制备方法

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