CN110931576A - 一种日盲紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种日盲紫外探测器，包括衬底、设置于衬底表面的MgZnO薄膜、均布在所述MgZnO薄膜表面的金属纳米阵列，以及设置在所述MgZnO薄膜表面的叉指电极；所述金属纳米阵列中所有金属纳米粒子的粒径相同、相邻两个金属纳米粒子的间距相同。本发明还提供了一种日盲紫外探测器的制备方法，通过等离子体增强分子束外延法在衬底表面上沉积MgZnO薄膜，并采用聚苯乙烯微球刻印技术在MgZnO薄膜表面形成金属纳米阵列。本发明的日盲紫外探测器在紫外乃至深紫外波段对光的吸收强，在其他波段对光的吸收弱，能选择特定波长增强吸收，体现出良好的波长选择性，具有更高的光响应度、探测率以及灵敏度。

Description

一种日盲紫外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及深紫外探测技术领域，尤其涉及一种日盲紫外探测器及其制备方法。
背景技术
深紫外光一般指波长100nm到280nm之间的光波，其在杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。根据相关统计数据估计，全球深紫外光应用市场规模高达数十亿美元，目前这类光源主要以氙灯、汞灯等气体光源为主。紫外探测器是将一种形式的电磁辐射信号转换成另一种易被接收处理信号形式的传感器，利用光电效应把光学辐射转化成电学信号。紫外线探测器对紫外辐射具有高响应。其中，日盲紫外探测器的光谱响应区集中在中紫外(波长小于290nm),而对紫外区以外的可见光及红外辐射响应较低；光盲紫外探测器长波响应限在紫外与可见光交界处。
在传统能源越来越珍贵的今天，半导体发光体作为节能材料，其发光效率的提高具有越来越重要的意义。金属表面等离激元以其特殊的性质，成为提高半导体发光效率的有效手段。目前，人们已经实现了利用金属表面等离激元增强基、GaN基及ZnO基等材料的发光增强。金属表面等离激元的共振能量与金属种类、金属颗粒尺寸、形状、间距等很多因素相关。因此，通过调控这些方面，可对金属表面等离激元的共振能量进行有效控制。聚苯乙烯纳米球模板，以其低廉的成本获得了研究者的青睐。中科院有研究组利用自组装的方法在上制备了有序的聚苯乙稀球模板，并分别利用直径为200nm和500nm的聚苯乙稀球模板制备了尺寸为30nm和140nm的Au阵列。
通过研究发现，铝能够在日盲紫外区域激发产生局域表面等离子体共振。但由于铝存在大气气氛下铝膜表面形成的氧化铝具有很高的熔点限制了薄膜通过退火向纳米颗粒的转化，共振波段调节困难等研究难题，现在对于等离子体深紫外探测器探测性能仍然处于研究阶段。
鉴于此，急需研究一种日盲紫外探测器及其制备方法，在深紫外区具有较高的光响应度、探测率以及灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种日盲紫外探测器及其制备方法，在深紫外区具有较高的光响应度、探测率以及灵敏度。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种日盲紫外探测器，包括衬底、设置于衬底表面的MgZnO薄膜、均布在所述MgZnO薄膜表面的金属纳米阵列，以及设置在所述MgZnO薄膜表面的叉指电极；所述金属纳米阵列中所有金属纳米粒子的粒径相同、相邻两个金属纳米粒子的间距相同。
进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底、石英衬底、氧化锌衬底或氧化镁衬底中的任意一种，所述衬底的厚度为400～450μm。
进一步地，所述MgZnO薄膜的厚度为500～800nm。
进一步地，所述金属纳米阵列的材质为Al、Ag、Au及其合金中的任意一种。
进一步地，所述金属纳米阵列中所有金属纳米颗粒的粒径均为100nm，相邻两个金属纳米颗粒的间距为400～600nm。
进一步地，所述两个电极为金属叉指电极，指间距≥1mm。
进一步地，所述两个电极的材质为Al、Ag、Au中的任意一种，材质选择相互独立。
本发明还提供了一种日盲紫外探测器的制备方法，用于制备上述的日盲紫外探测器，包括以下步骤：
S1：在所述衬底表面制备所述MgZnO薄膜；
S2：在所述MgZnO薄膜表面采用自组装技术制备聚苯乙烯微球阵列；
S3：以所述聚苯乙烯微球阵列为模板制备金属薄膜；
S4：对所述金属薄膜进行超声去除所述聚苯乙烯微球阵列，再退火处理，得到分布在所述MgZnO薄膜表面的所述金属纳米阵列；
S5：在表面分布有所述金属纳米阵列后的所述MgZnO薄膜表面制备所述叉指电极。
进一步地，所述步骤S1中制备所述MgZnO薄膜的方法为等离子体增强分子束外延法；
所述步骤S3中制备所述金属薄膜的方法为离子溅射法、热蒸发法、磁控溅射法中的任意一种。
进一步地，所述步骤S4中退火的温度根据所述金属纳米阵列的材质设计。
本发明的日盲紫外探测器及其制备方法，在MgZnO薄膜表面上制备有金属纳米阵列，通过调控聚苯乙烯微球直径的方法制造不同的模板，从而将金属纳米颗粒的粒径大小控制在使其对入射光的吸收大于吸收损耗的水平，使其在深紫外波段有较好的吸收效果，增强其在深紫外光的响应度，使金属表面离子体共振耦合应用于日盲紫外探测器中成为可能。本发明的日盲紫外探测器在紫外乃至深紫外波段对光的吸收强，在其他波段对光的吸收弱，能选择特定波长增强吸收，体现出良好的波长选择性，具有更高的光响应度、探测率以及灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的日盲紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明一实施例的日盲紫外探测器中Al纳米阵列扫描电镜照片；
图3是本发明一实施例的日盲紫外探测器与对比例的透射性能对比图；
图4是本发明一实施例的日盲紫外探测器与对比例的连续响应光谱对比图；
附图标记说明：1-衬底；2-MgZnO薄膜；3-金属纳米阵列；4-叉指电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，为本发明的日盲紫外探测器的结构示意图，本发明的日盲紫外探测器包括衬底1、设置于衬底表面的MgZnO薄膜2、均布在所述MgZnO薄膜表面的金属纳米阵列3，以及设置在所述MgZnO薄膜表面的两个电极4；所述金属纳米阵列3中所有金属纳米粒子的粒径相同、相邻两个金属纳米粒子的间距相同。
本发明对衬底1的材料没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的制备紫外探测器所用的衬底材料即可，例如所述衬底1可以为蓝宝石衬底、石英衬底、氧化锌衬底或氧化镁衬底中的任意一种，优选为蓝宝石衬底，更优选为C面宝石蓝衬底。本发明对所述衬底1的厚度也没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的紫外探测器中的衬底厚度即可，例如可设计所述衬底1的厚度为400～450μm，优选为420～440μm,更优选为430μm。
本发明中所述MgZnO薄膜2的厚度为500～800nm，优选为550～750nm，更优选为600～700nm，更优选为630～670nm，最优选为650nm。
本发明中所述金属纳米阵列3的材质选自为Al、Ag、Au及其合金中的任意一种，所述金属纳米阵列3中所有金属纳米颗粒的粒径均为100nm，相邻两个金属纳米颗粒的间距为400～600nm，优选为450～550nm，更优选为500nm。
本发明中所述两个电极4可设计为金属叉指电极，指间距≥1mm。所述两个电极4的材质可选自Al、Ag、Au中的任意一种，材质选择上是相互独立的。
金属表面离子体由于具有空间局域性和局域场增强性，当发生表面等离子体共振耦合时，金属纳米结构附近的场增强倍数可达102～104倍。但是金属表面等离子体主要应用于可见和红外波段，由于大部分金属的偶极子位于可见和红外波段，而能量匹配是金属表面等离子体局域场增强的必备条件，使其很少应用于深紫外光段。虽然在理论上可以通过减小粒子尺寸使金属纳米材料的偶极子峰蓝移，但由于减小粒子尺寸会增加金属的吸收损耗，很难通过减小尺寸来实现其在紫外波段的应用。
本发明还提供了一种日盲紫外探测器的制备方法，用于制备上述的日盲紫外探测器，包括以下步骤：
S1：在所述衬底1表面制备所述MgZnO薄膜2；
S2：在所述MgZnO薄膜2表面采用自组装技术制备聚苯乙烯微球阵列；
S3：以所述聚苯乙烯微球阵列为模板制备金属薄膜；
S4：对所述金属薄膜进行超声去除所述聚苯乙烯微球阵列，再退火处理，得到分布在所述MgZnO薄膜表面的所述金属纳米阵列3；
S5：在表面分布有所述金属纳米阵列3后的所述MgZnO薄膜2表面制备所述两个电极4。
本发明中所述步骤S1中制备所述MgZnO薄膜2的方法为等离子体增强分子束外延法，所述步骤S3中制备所述金属薄膜的方法选自离子溅射法、热蒸发法、磁控溅射法中的任意一种，所述步骤S4中退火的温度根据所述金属纳米阵列3的材质设计，例如金属纳米阵列3的材质为Al时退火温度一般为650℃，材质为Ag时退火温度一般为450℃。
本发明的日盲紫外探测器的制备方法，在MgZnO薄膜2表面上制备金属纳米阵列，通过调控聚苯乙烯微球直径的方法制造不同的模板，从而将金属纳米颗粒的粒径大小控制在使其对入射光的吸收大于吸收损耗的水平，使其在深紫外波段有较好的吸收效果，增强其在深紫外光的响应度。
实施例
本实施例的日盲紫外探测器的参数如下：衬底1为C面蓝宝石衬底，MgZnO薄膜2的厚度为600nm，金属纳米阵列3为Al纳米阵列，Al纳米颗粒的粒径均为100nm，相邻两个Al纳米颗粒的间距为500nm，两个电极4叉指Au电极。
上述日盲紫外探测器的制备方法如下：
S1：在所述衬底1表面制备所述MgZnO薄膜2：在C面蓝宝石衬底1上利用等离子体增强分子束外延(P-MBE)技术制备，控制C面蓝宝石衬底1的温度为950℃，锌源温度为500℃，Mg源温度600℃，氧气流量为1sccm，射频功率为250W，获得厚度为600nm的MgZnO薄膜2。
S2：在所述MgZnO薄膜2表面采用自组装技术制备聚苯乙烯微球阵列：将制备的MgZnO薄膜2置于等离子体清洗机清洗10min，使其具有更好的亲水性。之后再将制配好的聚苯乙烯微球悬浊液缓慢分散在水面上，在水面边缘处滴入配置的浓度4％的十二烷基磺酸钠溶液，得到密排的自组装单层聚苯乙烯微球。
S3：以所述聚苯乙烯微球阵列为模板制备金属薄膜：将C面蓝宝石衬底1从水面下缓缓向上提拉，使聚苯乙烯微球均匀排布在MgZnO薄膜2的表面，再利用热蒸发法生长金属Al薄膜，厚度为400nm左右。
S4：对所述金属薄膜进行超声去除所述聚苯乙烯微球阵列，再退火处理，得到分布在所述MgZnO薄膜表面的所述金属纳米阵列3：将S3得到的样品浸泡在三氯乙烯溶液中，静置十二个小时，再用超声机低功率超声，去除聚苯乙烯微球阵列；再利用退火炉将样品在氮气环境下600℃退火三分钟，得到表面有Al纳米阵列3的MgZnO薄膜2，如图2所示，为Al纳米阵列3的扫描电镜照片，Al纳米颗粒的粒径均为100nm，相邻两个Al纳米颗粒的间距为500nm。
S5：在表面分布有所述金属纳米阵列3后的所述MgZnO薄膜2表面制备所述两个电极4：将S4得到的样品通过匀胶(KMP E3130光刻胶)、前烘(90℃，3分钟)、曝光、中烘(90℃，5分钟)、显影、去离子水反复清洗、氮气吹干、坚膜(120℃，3分钟)，形成电极区域；在电极区域溅射Au电极层，溅射电流为4mA，溅射时间10min，形成厚度为40nm、长度为500μm、宽度为10μm、距离为10μm的26对叉指Au电极；之后采用丙酮作为剥离液超声剥离15min，然后去离子水冲洗，氮气吹干，制备得到日盲紫外探测器。
本实施例的日盲紫外探测器的性能：
如图3、4所示，分别为本实施例的日盲紫外探测器与对比例的透射性能对比图及连续响应光谱对比图。对比例为不生长Al纳米阵列3的探测器，其他参数与本实施例的日盲紫外探测器控制控制一致。从图中看出，本实施例的日盲紫外探测器与对比例相比，在紫外乃至深紫外波段对光的吸收更强，在其他波段对光的吸收弱，能选择特定波长增强吸收，体现出波长选择性，具有更高的光响应度、探测率以及灵敏度。
本发明的日盲紫外探测器及其制备方法，在MgZnO薄膜表面上制备有金属纳米阵列，通过调控聚苯乙烯微球直径的方法制造不同的模板，从而将金属纳米颗粒的粒径大小控制在使其对入射光的吸收大于吸收损耗的水平，使其在深紫外波段有较好的吸收效果，增强其在深紫外光的响应度，使金属表面离子体共振耦合应用于日盲紫外探测器中成为可能。本发明的日盲紫外探测器在紫外乃至深紫外波段对光的吸收强，在其他波段对光的吸收弱，能选择特定波长增强吸收，体现出良好的波长选择性，具有更高的光响应度、探测率以及灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种日盲紫外探测器，其特征在于，包括衬底、设置于衬底表面的MgZnO薄膜、均布在所述MgZnO薄膜表面的金属纳米阵列，以及设置在所述MgZnO薄膜表面的叉指电极；所述金属纳米阵列中所有金属纳米粒子的粒径相同、相邻两个金属纳米粒子的间距相同。
2.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、石英衬底、氧化锌衬底或氧化镁衬底中的任意一种，所述衬底的厚度为400～450μm。
3.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述MgZnO薄膜的厚度为500～800nm。
4.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述金属纳米阵列的材质为Al、Ag、Au及其合金中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述金属纳米阵列中所有金属纳米颗粒的粒径均为100nm，相邻两个金属纳米颗粒的间距为400～600nm。
6.根据权利要求1所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述叉指电极为金属叉指电极，指间距≥1mm。
7.根据权利要求6所述的日盲紫外探测器，其特征在于，所述两个电极的材质为Al、Ag、Au中的任意一种，材质选择相互独立。
8.一种日盲紫外探测器的制备方法，用于制备如权利要求1-7中任意一项所述的日盲紫外探测器，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在所述衬底表面制备所述MgZnO薄膜；
S2：在所述MgZnO薄膜表面采用自组装技术制备聚苯乙烯微球阵列；
S3：以所述聚苯乙烯微球阵列为模板制备金属薄膜；
S4：对所述金属薄膜进行超声去除所述聚苯乙烯微球阵列，再退火处理，得到分布在所述MgZnO薄膜表面的所述金属纳米阵列；
S5：在表面分布有所述金属纳米阵列后的所述MgZnO薄膜表面制备所述叉指电极。
9.根据权利要求8所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中制备所述MgZnO薄膜的方法为等离子体增强分子束外延法；
所述步骤S3中制备所述金属薄膜的方法为离子溅射法、热蒸发法、磁控溅射法中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的日盲紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中退火的温度根据所述金属纳米阵列的材质设计。
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