CN113299834A - 基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，旨在利用纳米管复合结构所具有的优越性能，开发研制一种结构简单、制作方便、具有自驱动和宽波段响应特点的光电探测器，该光电探测器不需要外接电压即可工作，光谱响应范围覆盖从可见光到中红外的超宽波段。其包括自下而上依次层叠设置的金属基底、电子传输层、半透明光电转换层；其中，金属基底作为光电探测器的下电极；半透明光电转换层作为光电探测器的上电极，采用碳纳米管薄膜；电子传输层采用二氧化钛纳米管阵列；所述上电极依次通过上电极引线、电信号检测设备以及下电极引线与下电极构成回路；且上电极与上电极引线连接的区域下方设置有绝缘层。

Description

基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器。
背景技术
光电探测器是一种可以将特定波长范围的光信号转变成电信号的设备，已广泛应用于光通信、工业生产、环境监测和卫生医疗等领域。人们对光电探测器的高灵敏、宽光谱、在室温工作、自驱动以及多维度光信息探测等方面的要求越来越高，传统的半导体光电材料如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等越来越不能满足人们的需求。因此，发展和探索基于新材料的光电探测器具有十分重要的意义。
纳米管具有中空结构、比表面积大、吸附能力强等优点，与其它一维纳米材料相比，对外界环境和外场更加敏感。因此，纳米管结构非常适合用于制备高灵敏、快响应光电探测器。二氧化钛纳米管可以通过简单的阳极氧化法制备得到，它是一种n型宽禁带半导体，带隙在3.0-3.2电子伏特之间，只对紫外光有响应。诸多文献报道可以通过结构设计和修饰使其对紫外光以外的波段也有响应，例如：[Wen-Tao Sun,Yuan Yu,Hua-Yong Pan,Xian-Feng Gao,Qing Chen,Lian-Mao Peng.《美国化学会志》Journal of the AmericanChemical Society,2008,130,1124-1125；Wonjoo Lee,Soon Hyung Kang,Sun Ki Min,Yung-Eun Sung,Sung-Hwan Han.《电化学通讯》Electrochemistry Communications,2008,10,1579-1582；Mingjie Yang,Jia-Lin Zhu,Wei Liu,Jia-Lin Sun.《纳米研究》NanoResearch,2011,4,901-907]。但是，由于现有的二氧化钛基光电探测器在实现宽波段的光检测和自驱动工作之间很难平衡。因此，设计和制作既能实现宽波段的光检测又无需外部电源即可自驱动工作的光电探测器，对推动二氧化钛基光电探测器的实际应用具有重要意义。
发明内容
针对现有的二氧化钛基光电探测器存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，旨在利用纳米管复合结构所具有的优越性能，开发研制一种结构简单、制作方便、具有自驱动和宽波段响应特点的光电探测器，该光电探测器不需要外接电压即可工作，光谱响应范围覆盖从可见光到中红外的超宽波段。
本发明的构思：
碳纳米管具有一维纳米结构、很高的载流子迁移率、很强的激子效应。它的带隙较小，一般小于1.0电子伏特，可覆盖整个近红外波段，并且带隙随着纳米管直径的增大而减小。此外，研究表明在由多根碳纳米管聚集形成的“碳纳米管束”中，纳米管之间的相互作用会诱导出很小的“赝能隙”，使得碳纳米管可以吸收中、远红外光。这些优异的光学和电学性质使得碳纳米管成为理想的宽波段光电探测器材料。由于氧分子的吸附作用，碳纳米管的电学行为表现为p型。因此，本发明拟将p型碳纳米管和n型二氧化钛纳米管进行结合形成p-n结，当足够能量的光照射到p-n结时，就会产生光生电子-空穴对，位于空间电荷区的光生电子-空穴对在内建电场的作用下自发分离，分离后的电子流向n区，空穴流向p区，从而实现自驱动光电探测。当施加的偏压与内建电场方向相同时，能够增大光生电子-空穴对分离效率，从而提高光响应度。在无偏压条件下，由于内建电场的存在，器件仍有光电探测能力。工作在无偏压下的光电探测器具有极低的暗电流噪声，可以获得很高的探测率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特殊之处在于：包括自下而上依次层叠设置的金属基底、电子传输层、半透明光电转换层；
其中，金属基底作为光电探测器的下电极；
半透明光电转换层作为光电探测器的上电极，采用碳纳米管薄膜，包括半导体型和金属型；
电子传输层采用二氧化钛纳米管阵列；
所述上电极依次通过上电极引线、电信号检测设备以及下电极引线与下电极构成回路；且上电极与上电极引线连接的区域下方设置有绝缘层。
进一步地，所述金属基底采用厚度为0.5-5毫米的钛片。
进一步地，所述碳纳米管薄膜采用直径为1-10纳米的碳纳米管。
进一步地，所述二氧化钛纳米管阵列采用外径100-200纳米、壁厚30-60纳米、管长400-550纳米的二氧化钛纳米管组成。
进一步地，所述二氧化钛纳米管的顶部为开口、底部为闭口，且横截面呈圆形或多边形。
进一步地，所述上电极的中部与电子传输层接触，两侧与电子传输层间均设置有绝缘层。
进一步地，所述电信号检测设备为安捷伦B2911A型测量源表。
本发明的优点是：
1.本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器结构简单、制作方便。一方面，碳纳米管薄膜可以吸收可见光和红外光，使得该器件具有超宽的光谱响应范围；另一方面，二氧化钛纳米管垂直、整齐排列，提供快速的电子传输通道，缩短电子传输时间，有利于加快光电探测器的响应速度。
2.本发明中p型碳纳米管与n型二氧化钛纳米管是两种不同的半导体材料，碳纳米管薄膜非常柔软，其与二氧化钛纳米管之间的物理接触很紧密，当它们相互接触时，无需任何处理，便可在两者的界面处会产生一个过渡区域(即空间电荷区)，该区域就是p-n结。当p-n结形成时，n型半导体中的电子会因载流子浓度差异向p型半导体中迁移，致使p型半导体的费米能级升高，n型半导体的费米能级降低，最终达到平衡状态。由于载流子的扩散运动，在p-n结区形成自发的内建电场。在该内建电场的作用下，光生电子-空穴对可以自发分离，然后传输到外电路，形成光电流。换言之，光电探测器无需外部电源也可自驱动工作。
3.在本发明所述的光电探测器中，碳纳米管膜的引入有多个优点：首先，碳纳米管膜可以拓宽光谱响应至红外波段；再次，半透明碳纳米管膜同时可以作为上电极；最后，p-型碳纳米管膜和n-型二氧化钛纳米管形成p-n结，结区的内建电场可以自发分离光生电子-空穴对，使得器件可在无外部电源情况下自驱动工作。
附图说明
图1为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器的结构示意图；
图2为本发明所使用的二氧化钛纳米管阵列的扫描电子显微镜图像侧视图；
图3为本发明所使用的二氧化钛纳米管阵列的扫描电子显微镜图像底视图；
图4为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，在无光条件下以及有激光光束照射条件下(波长和功率分别为532纳米和190毫瓦、1064纳米和430毫瓦、10.6微米和415毫瓦)的伏安特性曲线；
图5为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，在激光波长为532纳米、功率为190毫瓦、零偏压的条件下，开启光照和关闭光照对电流响应的影响；
图6为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，在激光波长为1064纳米、功率为430毫瓦、零偏压的条件下，开启光照和关闭光照对电流响应的影响；
图7为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，在激光波长为10.6微米、功率为415毫瓦、零偏压的条件下，开启光照和关闭光照对电流响应的影响；
图8为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，波长为532纳米、1064纳米和10.6微米的激光光束照射时，光响应度和波长之间的关系；
图9为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，偏置电压保持0.5伏恒定，激光光束的波长为1064纳米条件下，不同激发功率下的光致电流的时间响应曲线；
图10为本发明提供的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器实施例中，光致电流和激光功率之间的关系，为线性关系。
附图标号如下：
1-钛片；2-二氧化钛纳米管阵列；3-绝缘层；4-碳纳米管薄膜；5-上电极引线；6-下电极引线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施案例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1所示，该光电探测器包括自下而上依次层叠设置的金属基底、电子传输层、半透明光电转换层；其中，金属基底作为光电探测器的下电极，采用0.5-5毫米的钛片；半透明光电转换层作为光电探测器的上电极，采用碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜由直径为1-10纳米的碳纳米管组成；电子传输层采用二氧化钛纳米管阵列，二氧化钛纳米管阵列采用外径100-200纳米、壁厚30-60纳米、管长400-550纳米的二氧化钛纳米管组成；碳纳米管薄膜的中部与电子传输层接触，两侧与电子传输层间均设置有绝缘层；上电极的一侧(即绝缘层上方的碳纳米管薄膜)依次通过上电极引线、电信号检测设备以及下电极引线与下电极构成回路，从而形成具有异质结构的光电探测器。
如此，从探测器的上表面至下表面依次由直径为1-10纳米的碳纳米管薄膜材料、外径为100-200纳米的二氧化钛纳米管阵列材料和块体钛片材料构成了纳米管复合结构光电探测器件。
以下以具体的实施案例进一步对本发明进行说明：
目前，合成制备碳纳米管和二氧化钛纳米管的成熟技术多种多样，关于本发明实施例所用碳纳米管、二氧化钛纳米管的制备技术已在文献[Wei JQ,Jiang B,Wu DH andWei BQ,Journal Of Physical Chemistry B 2004,108：8844-8847]，[Shankar K,Mor GK,Prakasam HE，Yoriya S，Paulose M，Varghese OK，Grimes CA，Nanotechnology 2007,18：065707]和[A.A.Aref,L.B.Xiong,N.N.Yan，A.M.Abdulkarem，Y.Yu，Mater.Chem.Phys.2011,127：433-439]中报道。碳纳米管和二氧化钛纳米管也可以直接通过商业渠道购买。如图2所示的扫描电子显微镜侧视图表明二氧化钛纳米管高度有序、排列方向一致，管长在400-550纳米范围内，二氧化钛纳米管的外直径在200纳米左右，壁厚约为55纳米。如图3所示的扫描电子显微镜底视图表明：二氧化钛纳米管顶部为圆形开口，底部为闭口，多为圆形和多边形。钛薄片采用厚度为毫米量级的钛金属薄片，用导线把上、下两电极引线和电信号检测设备(安捷伦B2911A型测量源表)相连接构成回路。碳纳米管薄膜稀疏且透明，有利于光的透射。如图4所示，在无光和激光照射条件下，当给探测器施加偏置电压时，随着电压的增加，光致电流会逐渐变大。在同样偏置电压条件下，当激光光束的波长由可见光到中红外(532纳米增加到1064纳米、10.6微米)时，光电流会明显增加。
采用波长为532纳米、功率为190毫瓦的激光光束照射光电探测器上表面的碳纳米管薄膜，回路中可产生显著的光致电流(如图5所示)，即打开光源和关闭光源时电流变化达到20纳安以上，且该光电探测器的光电响应速度很快。然后，改变光源，采用波长为1064纳米、功率为300毫瓦和波长为10.6微米、功率为415毫瓦的激光光束照射在光电探测器上表面的碳纳米管薄膜时，回路中也可产生显著的光致电流(如图6、图7所示)，即打开光源和关闭光源时电流变化达到5纳安以上，且该光电探测器的光电响应速度很快。
实验测试结果表明：可见光(532纳米波长)、近红外(1064纳米波长)、中红外(10.6微米波长)照射到本发明涉及的基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器上时，在零偏压下有光电响应，电路中电流数值会发生显著变化，说明其光谱响应范围可以从可见光拓宽至中红外光区域，且其光电响应速度很快，同时，暗电流噪声极小；当然，该光电探测器也可在有偏压的情况下工作。如图8所示，当不同波长的激光光束照射时，采用波长为532纳米的光响应度最大，约为1.6微安/瓦，波长为1064纳米的响应度次之，而波长为10.6微米的光响应度最小，表现出明显的波长依赖特性。为了探究光电探测器在不同入射光功率下的工作状态，在偏置电压为0.5伏特，激光波长为1064纳米，功率为118毫瓦-430毫瓦范围内对器件进行测试，测试结果如图9所示。
从图10中可以清楚的看到，在不同入射光强下,器件仍保持着高的灵敏度和响应速度，其光电流随着入射光强度的增加而随之增加，且可以看出二者具有很好的线性关系，表明所制备的光电探测器可应用于精准探测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的金属基底、电子传输层、半透明光电转换层；
其中，金属基底作为光电探测器的下电极；
半透明光电转换层作为光电探测器的上电极，采用碳纳米管薄膜；
电子传输层采用二氧化钛纳米管阵列；
所述上电极依次通过上电极引线、电信号检测设备以及下电极引线与下电极构成回路；且上电极与上电极引线连接的区域下方设置有绝缘层。
2.根据权利要求1所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述金属基底采用厚度为0.5-5毫米的钛片。
3.根据权利要求2所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述碳纳米管薄膜采用直径为1-10纳米的碳纳米管。
4.根据权利要求1-3任一所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述二氧化钛纳米管阵列采用外径100-200纳米、壁厚30-60纳米、管长400-550纳米的二氧化钛纳米管组成。
5.根据权利要求4所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述二氧化钛纳米管的顶部为开口、底部为闭口，且横截面呈圆形或多边形。
6.根据权利要求5所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述碳纳米管薄膜的中部与电子传输层接触，两侧与电子传输层间均设置有绝缘层。
7.根据权利要求6所述基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，其特征在于：
所述电信号检测设备为安捷伦B2911A型测量源表。
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