專利名稱：一種表面等離子共振整流天線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)整流天線領(lǐng)域，具體是用作整流天線的金屬-絕緣體-金屬M(fèi)IM 結(jié)構(gòu)，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電。
背景技術(shù)：
將太陽(yáng)光等電磁輻射轉(zhuǎn)化成電能的裝置主要有光伏電池、整流天線和熱功器件， 整流天線因成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、金屬-絕緣體-金屬二極管結(jié)構(gòu)整流天線在2. 45GHz波段具有90%的轉(zhuǎn)化效率，因此，是一種很有前景的光能量轉(zhuǎn)化技術(shù)。整流天線的工作原理是，上層金屬與絕緣層形成肖特基接觸，入射光子與金屬粒子作用形成自由電子的表面等離子共振，表面等離子共振轉(zhuǎn)化為電荷密度波，引起金屬電極的電勢(shì)變化，誘導(dǎo)的高頻電流通過金屬-絕緣層界面的隧道結(jié)，產(chǎn)生直流電流。文獻(xiàn)Nanoletter, DOI :10. 1021/nl203196z 中報(bào)道了一種使用 Au-Al2O3-Au 的MIM 結(jié)構(gòu)器件，從上至下其各層厚度為35nm、4nm、30nm，分別采用高真空電子束蒸發(fā)沉積、原子層沉積和高真空電子束蒸發(fā)沉積制備方法。文獻(xiàn) Journal of The Electrochemical Society，2011，158，65-74 中分別制備了 Ta/TaOx/Au和Ti/TiOx/Au三明治MIM結(jié)構(gòu)，從上至下其各層厚度為5 100nm、4 8nm、 6 18nm，其制備工藝同樣采用了超高真空蒸發(fā)的方法。文獻(xiàn)Physical Review B, 2007，76，235408 報(bào)道了一種 Ag-AlOx-Al 結(jié)構(gòu)的 MIM 整流天線，其各層厚度從上至下分別為70nm、4nm、50nm。其制備過程在超高真空室中進(jìn)行，采用離子槍注入法和激光誘導(dǎo)方法。文獻(xiàn)kience，2011，332，702-704制備了以η型摻雜Si為基體(30nm)，中間層為Ti (Inm)，金屬Au(30nm)為上層金屬的15X20的MIM結(jié)構(gòu)陣列，每個(gè)MIM結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬為 250 X 250nm。其制備過程采用了電子束刻蝕的方法和電子束蒸發(fā)法。申請(qǐng)?zhí)枮?00910301655. 1的發(fā)明創(chuàng)造中，公開了一種在TiO2納米管陣列上光沉積氧化亞銅的方法，其電解液為0. 05mol/L硫酸銅溶液，且需要加入緩沖溶液lmol/L磷酸氫二鉀，沉積前需在0. 05mol/L的硫酸銅溶液中浸泡M小時(shí)。申請(qǐng)?zhí)枮?01010212628. X 的發(fā)明中公開了一種在TW2納米管陣列上沉積納米Cu2O顆粒的制備方法。其制備方法采用的是脈沖電沉積法，這種方法需要設(shè)定通斷電壓比、通斷時(shí)間比等參數(shù)，沉積過程較為復(fù)雜。上述兩個(gè)專利制備的樣品用于光催化，主要機(jī)制是二氧化鈦和氧化亞銅的光電效應(yīng)。本申請(qǐng)發(fā)明的物理機(jī)制是一種整流效應(yīng)。本申請(qǐng)發(fā)明的工藝是低溫溶液光沉積方法，具有不加入緩沖劑，不需要浸泡，通過調(diào)節(jié)照射光功率、時(shí)間來控制光沉積過程等特點(diǎn)。綜上所述，目前整流天線的主要缺點(diǎn)是(I)MIM結(jié)構(gòu)的各層厚度要求很薄，沉積方法一般采用超高真空電子束蒸發(fā)法和原子層沉積法，制備過程中厚度控制技術(shù)成本高，不適用于大規(guī)模、工業(yè)化生產(chǎn)，且不利于與目前低溫溶液技術(shù)為主的大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。(2)目前整流天線MIM結(jié)構(gòu)使用貴金屬Au作為MIM結(jié)構(gòu)的金屬部分，存在缺氧環(huán)境的不利影響。整流天線制備好后，一般需要進(jìn)行封裝，會(huì)造成缺氧環(huán)境，這對(duì)電極的性質(zhì)有很大影響。文獻(xiàn)ACS Applied Material hterfaces，2011，3，1492在大氣環(huán)境和氬氣環(huán)境下中比較了 Cu、Au、Ag電極的穩(wěn)定性，研究表明Au、Ag修飾后的電極在缺氧的氬氣環(huán)境下光伏性能下降很快，而金屬銅則表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)成本高，不適用于大規(guī)模、工業(yè)化生產(chǎn)的不足，本發(fā)明提出了一種表面等離子共振整流天線及其制備方法。本發(fā)明提出的表面等離子共振整流天線為三層結(jié)構(gòu)，下層為金屬Ti，在金屬Ti的一個(gè)表面氧化生成TW2納米管陣列層。在所述TW2納米管陣列層的表面沉積有Cu納米顆粒金屬層。所述的Cu納米顆粒金屬層的微觀表面形貌為納米顆粒，其顆粒大小為50 80nm，無特定形態(tài)，附著在TW2納米管基體表面的管壁上，少量沉積物進(jìn)入到管內(nèi)。本發(fā)明還提出了一種制備表面等離子共振整流天線的方法，其具體制備過程如下步驟1，處理鈦箔基體將鈦箔切割成條狀，經(jīng)打磨后，在3. mol/L HF和5. 6mol/ LHNO3的混合溶液中進(jìn)行aiiin化學(xué)拋光；分別用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲波清洗 IOmin ；步驟2，配制電解液所述的電解液包括用作制備TW2納米管陣列的混合溶液、 用作光沉積Cu的乙酸銅溶液和測(cè)試電解液；其中，用作制備TW2納米管陣列的混合溶液為 0. 25 0. 5wt % NH4F,2. 24 5wt % H2O 和 94. 5 97. 5Iwt % 乙二醇的混合溶液，并用2. Omol/L H2SO4溶液將其PH值調(diào)至4 6 ；用作光沉積Cu的乙酸銅溶液是將0. Imol/ L乙酸銅與無水乙醇混合均勻后通入氮?dú)釯h得到；所述的乙酸銅與無水乙醇的體積比為 1 (5 20)；用作測(cè)試電解液為0. OOlmol/L硫酸鈉溶液；步驟3，制備TW2納米管陣列；步驟4，制備鹽橋；步驟5，光沉積Cu 光沉積Cu使用的照射光源為波長(zhǎng)365nm，光強(qiáng)1400mw ·αιΓ2 ；將 TiO2納米管陣列依次分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波清洗lOmin，晾干；光沉積前將清洗好的TW2納米管基體分別用乙醇、乙酸銅溶液浸濕，在TiO2納米管基體上滴3 5 滴乙酸銅溶液的電解液；調(diào)整光固機(jī)的焦距，使光斑直徑為5 6mm，對(duì)TW2納米管基體二次照射第一次照射時(shí)間為5min，照射功率為10 20%;第一次照射結(jié)束后，調(diào)整光照時(shí)間為10 40min，功率為1%，進(jìn)行第二次照射；照射過程中，每5min用膠頭滴管添加乙酸銅溶液電解液3 5滴；用去離子水清洗式樣，并晾干，得到結(jié)構(gòu)為Ti/TiANT/Cu整流天線。本發(fā)明使用光沉積代替超高真空電子束蒸發(fā)技術(shù)，使用廉價(jià)金屬銅Cu代替貴金屬Au制備了 Ti/TiANT/Cu結(jié)構(gòu)的整流天線。本發(fā)明由中間異質(zhì)層TiO2納米管陣列層，上層Cu納米顆粒金屬層和下層金屬Ti三部分組成。下層為金屬Ti，在金屬Ti的一個(gè)表面氧化生成TW2納米管陣列層，在所述TiA納米管陣列層的表面沉積有Cu納米顆粒金屬層。 所述的TiA納米管陣列內(nèi)孔徑為100 士 lOnm，管長(zhǎng)2. 2 士0. 2μπι。光沉積后納米顆粒Cu的微觀形貌在掃描電鏡放大20000倍的情況下為無定型沉積物和納米棒兩種。無定型Cu沉積物的特征是在TW2表面附著無特定形態(tài)的Cu顆粒，其大小為50 150nm。納米棒的特征是其長(zhǎng)度在300nm 650nm之間，寬度大小基本保持不變，為110士5nm。通過線性掃描法、瞬時(shí)電流法和交流阻抗法，測(cè)量了本發(fā)明制備的表面等離子共振整流天線在模擬太陽(yáng)光照下的電流-電壓曲線、電流時(shí)間曲線和電化學(xué)交流阻抗譜。得到的性能參數(shù)見表一。觀察不同沉積時(shí)間的Ti/TiANT/Cu結(jié)構(gòu)相比修飾前的Ti/TiANT結(jié)構(gòu)，其短路電流密度提高了 3 4倍，其中以用光強(qiáng)光照40min制得的Ti/Ti02NT/Cu結(jié)構(gòu)提升最為顯著。表一不同沉積時(shí)間下制備Ti/TiANT/Cu結(jié)構(gòu)的光電性能
沉積時(shí)間瞬時(shí)光電流密度短路電流密度開路電壓

權(quán)利要求
1.一種表面等離子共振整流天線，所述的表面等離子共振整流天線為三層結(jié)構(gòu)，下層為金屬Ti，在金屬Ti的一個(gè)表面氧化生成TiA納米管陣列層；其特征在于，在所述TW2納米管陣列層的表面沉積有Cu納米顆粒金屬層；所述的Cu納米顆粒金屬層的微觀表面形貌為納米顆粒，其顆粒大小為50 80nm，無特定形態(tài)，附著在TiO2納米管基體表面的管壁上， 少量沉積物進(jìn)入到管內(nèi)。
2.一種制備權(quán)利要求1所述表面等離子共振整流天線的方法，其特征在于，具體制備過程如下步驟1，處理鈦箔基體將鈦箔切割成條狀，經(jīng)打磨后，在3. mol/L HF和5. 6mol/L HNO3 的混合溶液中進(jìn)行anin化學(xué)拋光；分別用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲波清洗IOmin ；步驟2，配制電解液所述的電解液包括用作制備T^2納米管陣列的混合溶液、用作光沉積Cu的乙酸銅溶液和測(cè)試電解液；其中，用作制備TiO2納米管陣列的混合溶液為0. 25 0. 5wt% NH4F,2. 24 5wt % H2O 和 94. 5 97. 51wt % 乙二醇的混合溶液，并用 2. Omol/L H2SO4溶液將其PH值調(diào)至4 6 ；用作光沉積Cu的乙酸銅溶液是將0. lmol/L乙酸銅與無水乙醇混合均勻后通入氮?dú)釯h得到；所述的乙酸銅與無水乙醇的體積比為1 (5 20);用作測(cè)試電解液為0. OOlmol/L硫酸鈉溶液；步驟3，制備TW2納米管陣列；步驟4，制備鹽橋；步驟5，光沉積Cu 光沉積Cu使用的照射光源為波長(zhǎng)365nm，光強(qiáng)1400mw ·αιΓ2 ；將TW2 納米管陣列依次分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波清洗lOmin，晾干；光沉積前將清洗好的TW2納米管基體分別用乙醇、乙酸銅溶液浸濕，在TW2納米管基體上滴3 5滴乙酸銅溶液的電解液；調(diào)整光固機(jī)的焦距，使光斑直徑為5 6mm，對(duì)TW2納米管基體二次照射第一次照射時(shí)間為5min，照射功率為10 20% ；第一次照射結(jié)束后，調(diào)整光照時(shí)間為10 40min，功率為1%，進(jìn)行第二次照射；照射過程中，每5min用膠頭滴管添加乙酸銅溶液電解液3 5滴；用去離子水清洗式樣，并晾干，得到結(jié)構(gòu)為Ti/Ti02NT/Cu整流天線。
全文摘要
一種表面等離子共振整流天線及其制備方法。所述的表面等離子共振整流天線為三層結(jié)構(gòu)，下層為金屬Ti，在金屬Ti的一個(gè)表面氧化生成TiO2納米管陣列層。在所述TiO2納米管陣列層的表面通過光沉積有Cu納米顆粒金屬層。所述的Cu納米顆粒金屬層的微觀表面形貌為納米顆粒。本發(fā)明使用光沉積代替超高真空電子束蒸發(fā)技術(shù)，使用廉價(jià)金屬銅Cu代替貴金屬Au制備了Ti/TiO2NT/Cu結(jié)構(gòu)的整流天線，解決了目前金屬層沉積技術(shù)成本、設(shè)備投入成本及貴金屬價(jià)格成本高，不能用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難題，有利于太陽(yáng)能技術(shù)的綠色低成本發(fā)展。
文檔編號(hào)C25D3/38GK102544182SQ201210002179
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者劉建, 陳福義 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)