CN112582548B - 基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法 - Google Patents

基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法，通过改进的溶液界面分子自组装过程合成制备高质量C60纳米棒，并以旋涂或滴涂的方式让此方法制备的一维富勒烯材料均匀分布在任意洁净基底上，并引入通过原子层沉积法制备的ZnO/量子点以加强整个光活性层的吸光能力和光电转换效率，成功制备了基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器。

Description

基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑 方法
技术领域
本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种对蓝紫光响应显著的基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法。
背景技术
具有可调带隙和宽光吸收范围的基于C60材料的纳米结构被认为是很有潜力的用来构筑紫外/可见光探测器的材料。一维C60纳米结构（纳米线和纳米棒）展示出依赖于其直径的吸光特征，C60纳米线/纳米棒的最大吸光波长范围为330 nm~690nm，这为可见光光电纳米器件提供了广阔的前景。由于与原始C60相比，具有合适直径的N型C60 纳米线/纳米棒由于具有很好的可见光吸收和更高的迁移率而提供了潜在的更好的光电响应，因此有望通过复合C60纳米线/纳米棒和其他半导体纳米材料，形成半导体异质结以构筑高性能的可见光探测器。同时，基于一维结构C60纳米材料不仅可以用低成本的溶液法制备，而且还可以添加到包括柔性基底的任意基底上，而这些对于传统的III-V族元素的半导体而言是很困难的。
目前，基于一维结构C60纳米材料的光电探测器有很多种形式。有研究人员将N型的一维结构C60纳米材料与其他半导体材料复合制备出异质结，从而制备出光电响应优异的C60基光电探测器。例如，Biebersdorf 等人制备了一种针形C60纳米结构，再将其与CdSe，CdTe和InP复合以敏化针形C60的光响应（A. Biebersdorf, R. Dietmu1ller, A. S.Susha, A. L. Rogach, S. K. Poznyak, D. V. Talapin, H. Weller, T. A. Klar andJ. Feldmann, Nano Lett., 2006, 6(7), 1559–1563.）；Shrestha等人的研究表明，与纯的C60粉末相比，C60纳米棒中的光生载流子数量明显增多，这使得基于C60纳米棒的光电探测器具有更高的光电响应灵敏度（R. G. Shrestha, L. K. Shrestha, A. H. Khan, G. S.Kumar, S. Acharya and K. Ariga, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6(17),15597–15603.）。也此外，Meshot等人制备了C60纳米棒/碳纳米管全碳复合薄膜用作光电探测器的光吸收层， 在C60纳米棒与碳纳米管理想的协同下，所构筑的器件显示出很高的光电导增益以及高达105 A/W光响应率（E. R. Meshot, K. D. Patel, S. Tawfick, K. A.Juggernauth, M. Bedewy, E. A. Verploegen, M. F. L. De Volder and A. J. Hart,Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 577–584.）。
然而，对于基于一维C60材料的光电探测器，依旧存在一些挑战。首先是较弱的可见光吸光率在一定程度上限制了C60材料在光电子和光伏纳米器件中的进一步发展。其次，制备高质量一维C60材料有一定困难。一维C60纳米材料一般由溶液法通过分子组装制成，该过程的快慢难以控制
基于上述原因，确定可靠的制备高质量一维C60纳米棒，并将所制备的C60纳米棒与其他合适的半导体材料相结合，构筑高性能的基于C60纳米棒的半导体异质结的光电探测器有着重要的科学意义和工程应用意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法。
本发明目的通过以下方案实现：一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法，其特征在于通过优化的溶液界面分子自组装过程合成制备高质量C60纳米棒，以旋涂或滴涂的方式让其均匀分布在任意衬底上并引入原子层沉积制备得到的ZnO量子点以加强整个光活性层的吸光能力和光电转换效率，成功制备了C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，具体如下：
1）将适量C60粉末溶于一定量氯苯中，并超声分散处理8~12分钟，得溶液A；
2）将一定量异丙醇经用滴管缓慢、均匀滴加到经步骤1）处理的溶液A中，得棕色沉淀物，滴加完毕后静置1~2分钟，随后将所得悬浊液离心收集沉淀，并用异丙醇离心洗样2~3次，将洗样完毕的棕色沉淀物分散在异丙醇中保存，即得分散在异丙醇中的C60纳米棒；
3）将步骤2）中的C60纳米棒悬浊液旋涂或滴涂在任意洁净衬底上（包括但不限于硅片、玻璃等刚性衬底，或PDMS、PET等柔性衬底），其中旋涂方法采用动态旋涂法，旋涂机转速为800~2000转/秒；
4）将步骤3）中所得样品放在热板上25~50℃烘干3~5分钟；
5）将步骤4）中所述样品放入原子层沉积系统腔体内，当腔体真空度达一定范围后升温至350~450℃；二乙基锌升温至120~135℃后，按照Zn源沉积1次和O源沉积1次构成完整的沉积循环，即：二乙基锌脉冲/高纯氮吹扫/水蒸气脉冲/高纯氮吹扫为一个完整的ZnO循环；如此循环若干次，得C60纳米棒/ZnO量子点样品；
6）在衬底上的C60纳米棒/ZnO量子点样品上通过涂布导电银胶、光刻Au电极等方法制备电极，器件构筑完毕。
步骤1）C60粉末的氯苯溶液浓度范围为 0.7~1.3mg/mL。
步骤1）C60粉末的氯苯溶液浓度为0.9 mg/mL。
步骤2）中上一步骤所配置的C60粉末的氯苯溶液用量范围为2~5mL；滴加异丙醇用量为5~10 mL。
步骤2）中上一步骤所配置的C60粉末的氯苯溶液用量为3mL；滴加异丙醇用量为7mL。
步骤3）旋涂方法采用动态旋涂法，旋涂机转速为800~2000转/秒。
步骤3）旋涂机转速为1200转/秒。
步骤4）中样品在热板上烘干温度范围为20~50℃，时间范围为3~5分钟。
步骤4）中样品在热板上烘干温度为40℃烘干4分钟。
步骤5）中所述的原子层沉积法制备ZnO量子点的方法, 其特征在于腔体加热的真空度在6~8hPa; 二乙基锌液体源的脉冲时间为1-2s; 去离子水液体源的脉冲时间为1~2s；二乙基锌的载气流量范围在100~150sccm，液体源去离子水的载气流量范围为100~150sccm。
本发明提供了一种优化改进的构筑基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法，。件该器件构筑方法简单可控，重复性高，具有重要的应用潜力。可在任意衬底上（如PDMS、PET等柔性衬底，或硅片、玻璃等刚性衬底），通过旋涂或滴涂法使由溶液法制备的C60纳米棒均匀分布，并在此基础上用原子层沉积法得到均匀分布在C60纳米棒上。由于ZnO量子点的加入，增加了这种光电探测器对光子捕获的能力，并且C60纳米棒/ZnO量子点异质结在高效分离光生激子过程中起到非常重要的作用，这使得由器件的光生载流子的损失大幅度降低。经过器件光活性层C60纳米棒/ZnO量子点比例的优化，成功制备了一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器。在405nm的单色波长激光的激发下，其位光电响应灵敏度（光电流/暗电流）可达到400%；此外器件也表现出很好的光响应循环稳定性。该器件构筑方法简单可控，成本低廉，重复性高，故具有明显的应用价值。
附图说明
图1：实施件1对波长为405nm的单色激光脉冲的响应曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，通过优化的溶液界面分子自组装过程合成制备高质量C60纳米棒，以旋涂或滴涂的方式让其均匀分布在任意衬底上并引入原子层沉积制备得到的ZnO量子点以加强整个光活性层的吸光能力和光电转换效率，制备成C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，按如下步骤构筑：
1）将C60粉末溶于氯苯中，使 C60粉末的氯苯溶液，并超声分散处理8~12分钟，得C60浓度范围为 0.9mg/mL的C60的氯苯溶液A；
2）将7mL异丙醇经滴管缓慢、均匀滴加到3mL经步骤1）处理的溶液A中，得棕色沉淀物，滴加完毕后静置1~2分钟得悬浊液，随后，将所得悬浊液离心收集沉淀，并用异丙醇离心洗样2~3次，将洗样完毕的棕色沉淀物分散在异丙醇中保存，得C60纳米棒悬浊液，即得分散在异丙醇中的C60纳米棒；
3）将步骤2）中的C60纳米棒悬浊液旋涂或滴涂在任意洁净衬底上，衬底包括但不限于硅片、玻璃等刚性衬底，或PDMS、PET等柔性衬底，得样品，其中，旋涂方法采用旋涂机动态旋涂，转速为1200转/秒；
4）将步骤3）中所得样品放在40℃热板上烘干4分钟，得烘干样品；
5）将步骤4）中所述烘干样品放入原子层沉积系统腔体内，当腔体真空度达6~8hPa后升温至350~450℃；二乙基锌升温至120~135℃后，按照Zn源沉积1次和O源沉积1次构成完整的沉积循环，即：二乙基锌脉冲1s/高纯氮吹扫/去离子水液体源的脉冲1s /高纯氮吹扫为一个完整的ZnO循环，二乙基锌的载气流量范围为150sccm，液体源去离子水的载气流量范围为150sccm；如此循环5~10次，得C60纳米棒/ZnO量子点样品；
6）在衬底上的C60纳米棒/ZnO量子点样品上通过涂布导电银胶以制备电极，构筑完成基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器。
图1为器件1对波长为405nm的单色激光脉冲的响应曲线。
实施例2：
一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，与实施例1步骤相近，按如下步骤构筑：
1）将适量C60粉末溶于一定量氯苯中，并超声分散处理8~12分钟，得浓度为0.7mg/mL的C60的氯苯溶液A；
2)取该溶液A, 将9mL异丙醇用滴管缓慢、均匀滴加到4mL该C60的氯苯溶液A中，得棕色沉淀物，滴加完毕后静置1~2分钟，随后将所得悬浊液离心收集沉淀，并用异丙醇离心洗样2~3次，将洗样完毕的棕色沉淀物分散在异丙醇中保存，即得分散在异丙醇中的C60纳米棒；
3)将步骤2）所得C60纳米棒悬浊液旋涂或滴涂在任意洁净衬底上，得样品，其中旋涂方法采用动态旋涂法，旋涂机转速为1000转/秒；
4）将步骤3）所得样品放在热板上40℃烘干3分钟，得烘干样品；
5）将步骤4）中所述烘干样品放入原子层沉积系统腔体内，当腔体真空度达6~8hPa范围后升温至350~450℃；二乙基锌升温至120~135℃后，按照Zn源沉积1次和O源沉积1次构成完整的沉积循环，即：二乙基锌脉冲/高纯氮吹扫/水蒸气脉冲/高纯氮吹扫为一个完整的ZnO循环（二乙基锌液体源的脉冲时间为1s; 去离子水液体源的脉冲时间为1s；二乙基锌的载气流量范围为100sccm，液体源去离子水的载气流量范围为100sccm）；如此循环5~10次，得C60纳米棒/ZnO量子点样品；
6）在衬底上的C60纳米棒/ZnO量子点样品上通过涂布导电银的方法制作电极，器件构筑完毕。
实施例3：
一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，与实施例1步骤相近，按如下步骤构筑：
1）将适量C60粉末溶于一定量氯苯中，并超声分散处理8~12分钟，得浓度为1.2mg/mL的C60的氯苯溶液A；
2)将6mL异丙醇用滴管缓慢、均匀滴加到2mL该C60的氯苯溶液A中，得棕色沉淀物，滴加完毕后静置1~2分钟，随后将所得悬浊液离心收集沉淀，并用异丙醇离心洗样2~3次，将洗样完毕的棕色沉淀物分散在异丙醇中保存，即得分散在异丙醇中的C60纳米棒；
3) )将步骤2）所得C60纳米棒悬浊液旋涂或滴涂在任意洁净衬底上，得样品，其中旋涂方法采用动态旋涂法，旋涂机转速为1200转/秒；
4)将步骤3）所得样品放在热板上50℃烘干3分钟，得烘干样品；
5）烘干样品放入原子层沉积系统腔体内，当腔体真空度达6~8hPa范围后升温至350~450℃；二乙基锌升温至120~135℃后，按照Zn源沉积1次和O源沉积1次构成完整的沉积循环，即：二乙基锌脉冲/高纯氮吹扫/水蒸气脉冲/高纯氮吹扫为一个完整的ZnO循环（二乙基锌液体源的脉冲时间为1.5s; 去离子水液体源的脉冲时间为1.5s；二乙基锌的载气流量范围为150sccm，液体源去离子水的载气流量范围为150sccm）；如此循环5~10次，得C60纳米棒/ZnO量子点样品；
6）在衬底上的C60纳米棒/ZnO量子点样品上通过光刻Au电极的方法制备电极，器件构筑完毕。

Claims (7)

1.一种基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器的构筑方法，其特征在于，通过溶液界面分子自组装过程合成制备高质量C60纳米棒，以旋涂或滴涂的方式让其均匀分布在任意衬底上并引入原子层沉积制备得到的ZnO量子点以加强整个光活性层的吸光能力和光电转换效率，制备成C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器，包括如下步骤：
1）将C60粉末溶于氯苯中，使 C60粉末的氯苯溶液浓度范围为 0.7~1.3mg/mL，并超声分散处理8~12分钟，得溶液A；
2）将异丙醇经滴管缓慢、均匀滴加到经步骤1）处理的溶液A中，得棕色沉淀物，滴加完毕后静置1~2分钟得悬浊液，随后，离心收集沉淀，并用异丙醇离心洗样2~3次，将洗样完毕的棕色沉淀物分散在异丙醇中保存，得C60纳米棒悬浊液，即得分散在异丙醇中的C60纳米棒；
3）将步骤2）中的C60纳米棒悬浊液旋涂或滴涂在任意洁净衬底上，得样品，其中，所述的衬底至少包括硅片和玻璃等刚性衬底中的一种，或者至少包括PDMS和PET的柔性衬底；所述的旋涂是用旋涂机，转速为800~2000转/秒；
4）将步骤3）中所得样品放在25~50℃热板上烘干3~5分钟，得烘干样品；
5）将步骤4）中所述烘干样品放入原子层沉积系统腔体内，当腔体真空升温至350~450℃；二乙基锌升温至120~135℃后，按照Zn源沉积1次和O源沉积1次构成完整的沉积循环，即：二乙基锌脉冲/高纯氮吹扫/水蒸气脉冲/高纯氮吹扫为一个完整的ZnO循环；如此循环若干次，得C60纳米棒/ZnO量子点样品；
6）在衬底上的C60纳米棒/ZnO量子点样品上通过涂布导电银胶、光刻Au电极方法制备电极，构筑完成基于C60纳米棒/ZnO量子点的高灵敏度光电探测器。
2.根据权利要求1所述的构筑方法，其特征在于步骤1）中，C60粉末的氯苯溶液浓度为0.9 mg/mL。
3.根据权利要求1所述的构筑方法，其特征在于步骤2）中，溶液A用量范围为2~5mL，甲醇用量范围为5~10 mL。
4.根据权利要求3所述的构筑方法，其特征在于步骤2）中，溶液A用量为3mL；滴加异丙醇量为7 mL。
5.根据权利要求1所述的构筑方法，其特征在于步骤3）中，旋涂机转速为1200转/秒。
6.根据权利要求1所述的构筑方法，其特征在于步骤4）中，样品在热板上烘干温度为40℃烘干4分钟。
7.根据权利要求1所述的构筑方法，其特征在于步骤5）中，腔体加热的真空度在6~8hPa；二乙基锌液体源的脉冲时间为1-2s；去离子水液体源的脉冲时间为1~2s；二乙基锌的载气流量范围在100~150sccm，液体源去离子水的载气流量范围为100~150sccm。
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