專利名稱：一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紫外光探測器技術(shù)，特別是一種用于紫外光探測的納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器。
背景技術(shù)：
紫外光探測器因其抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在軍民領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)單晶Si基半導(dǎo)體材料對紫外光沒有選擇吸收性，必須使用昂貴的濾光片，導(dǎo)致單晶Si基紫外探測器生產(chǎn)成本居高不下，難以滿足民用市場的需要。因此，目前人們主要把目光集中在寬帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)型器件上，如(Al)GaN, SiC、SiO、金剛石結(jié)型器件等，相應(yīng)的研究也主要集中在單晶器件上。由于單晶材料制備工藝復(fù)雜、往往需要造價(jià)高昂的生產(chǎn)設(shè)備，因此，紫外探測器的制造成本仍舊很高。近年來由于納米材料和納米光電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 使得研究人員更多地將目光投到制備工藝更為簡易，且無需昂貴制造設(shè)備的納米結(jié)構(gòu)多晶薄膜結(jié)型器件上，希望以此制備出成本更低、性能更為突出的紫外光探測器，相關(guān)研究已成為新的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外研究人員以納米多晶薄膜為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)型結(jié)構(gòu)的紫外光電探測器件，包括液結(jié)、肖特基結(jié)、PN結(jié)型紫外光探測器，并對它們的光電性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，如《科學(xué)通報(bào)》2006. 51(8)發(fā)表了付姚、曹望和合著的《用于紫外光傳感器的透明納米 TiO2 薄膜的制備》，((Applied physics letters)) 2007，90，201118 發(fā)表了 H. L. Xue, Χ. Ζ. Kong, Ζ. R. Liu 等合著的〈〈Ti02based metal-semi conductor-metal ultraviolet photodetectors》。然而，盡管有關(guān)納米多晶薄膜結(jié)型紫外光探測器的研究取得了一定的進(jìn)展，但從所獲器件性能來看，仍處于初級階段。納米多晶薄膜紫外光探測器的光電性能尚無法趕超單晶器件而獲得應(yīng)用。傳統(tǒng)多晶薄膜結(jié)型器件光電性能之所以無法得到飛躍性提高的根本原因如下1.傳統(tǒng)多晶薄膜結(jié)型器件的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與單晶結(jié)型器件相似，異質(zhì)結(jié)界面均為普通的平面接觸，因此，分布在接觸面附近的空間電荷區(qū)面積較小，對光生電子-空穴對的分離作用有限；2.多晶薄膜內(nèi)過高的晶界和缺陷密度嚴(yán)重阻礙了光生電子向?qū)щ娀谆蚪饘匐姌O的擴(kuò)散，使得大量光生電子-空穴對在尚未擴(kuò)散至電極處時(shí)，即因?yàn)榘l(fā)生復(fù)合而損失掉；3.多晶薄膜內(nèi)所存在的大量缺陷作為光生電子-空穴對的復(fù)合中心也嚴(yán)重降低了光生載流子的壽命。上述原因在很大程度上抑制了納米多晶薄膜結(jié)型器件光電性能的提高。如果能夠?qū)⒓{米多晶薄膜的晶粒高度有序地排列起來，使其在薄膜內(nèi)形成光生載流子傳輸?shù)膶Ｓ猛ǖ?，同時(shí)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大限度地?cái)U(kuò)大異質(zhì)結(jié)界面面積，那么勢必會(huì)使薄膜中光生載流子在傳輸中受到的阻礙大幅降低，大幅提高光生電子-空穴對的分離效率，從而有望使納米多晶薄膜的光電性能獲得顯著的提高，使其接近甚至達(dá)到單晶器件的水平。就目前的研究成果來看，高度有序化的納米晶粒結(jié)構(gòu)，如納米管陣列、納米線陣
3列、光子晶體已成功應(yīng)用于太陽能電池、氣體傳感器、光催化等領(lǐng)域的研究，并取得了不錯(cuò)的效果。((Chemistry of Materials)) 2010. 22 :143 發(fā)表了 C. K. Xu, P. H. Shin, L. L. Cao 等☆著白勺((Ordered TiO2 nanotube arrays on transparent conductive oxide for dye-sensitized solar cells》，他們的研究結(jié)果證實(shí)，具有高度有序結(jié)構(gòu)的納米多晶薄膜比傳統(tǒng)多晶薄膜的確能夠獲得令人驚喜的性能提高。然而需要注意的是，盡管有序化的納米結(jié)構(gòu)對光生載流子的傳輸速率有很大的提高，但其對光生電子-空穴對的分離卻無直接作用。中國專利ZL201010146780公開了一種納米線異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器及其制備方法，該專利為了獲得比傳統(tǒng)多晶PN結(jié)薄膜更高的光生電子、空穴對分離效率，利用P型納米線和N型納米線對接，形成納米線PN結(jié)。利用納米線直達(dá)導(dǎo)電基底且高度有序化的結(jié)構(gòu)和相對多晶薄膜更低的缺陷密度，為光生電子和空穴分別提供專用輸運(yùn)通道，加快電荷輸運(yùn)速率，減小光生電子和空穴在輸運(yùn)過程中的損耗。但由于納米線PN結(jié)的結(jié)截面與納米線徑向截面面積相同，大量納米線PN結(jié)形成陣列后，總的PN結(jié)截面面積與同體積傳統(tǒng)多晶薄膜PN結(jié)的結(jié)截面面積相同，即等于與薄膜表面平行的截面面積。所以，這種納米線PN結(jié)陣列只提供了載流子的快速輸運(yùn)通道，并沒有在同體積薄膜條件下擴(kuò)大PN結(jié)的有效結(jié)面積，因此，理論上講，形成的空間電荷區(qū)體積應(yīng)該是一樣的(內(nèi)建電場的作用范圍沒有得到擴(kuò)大)，且都位于薄膜內(nèi)部。這樣，光照產(chǎn)生的光生載流子如果沒有產(chǎn)生在薄膜內(nèi)部的空間電荷區(qū)的話，就需要一定時(shí)間的擴(kuò)散過程來進(jìn)入到空間電荷區(qū)。然而，光生載流子的壽命是有限的。一但光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間大于其壽命的話，這部分光生載流子就會(huì)損失掉。在納米線PN結(jié)的制備方法方面，該專利利用單向開口的多孔氧化鋁為模板，在模板微孔內(nèi)通過電泳沉積技術(shù)，分兩步使TiA膠粒和NiO膠粒先后沉積于導(dǎo)電基底和所形成的TiA納米線之上，并形成納米線PN結(jié)。這種方法存在的弊端是，由于多孔氧化鋁微孔為單向開口，孔內(nèi)缺少流通性，膠粒沉積時(shí)受氧化鋁微孔孔壁的電場作用，往往會(huì)在孔壁沉積，并阻礙后來的膠粒向?qū)щ娀走w移。因此，膠粒的填充率低，結(jié)構(gòu)不夠致密。采用雙通多孔氧化鋁雖然可以保證孔內(nèi)的流通性，使膠粒更易于遷移到底部，但卻無法實(shí)現(xiàn)雙向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的沉積，即無法保證一側(cè)沉積TW2納米線，同時(shí)另一側(cè)沉積MO納米線。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型要設(shè)計(jì)一種成本低廉、具有高光電性能且性能穩(wěn)定的納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，包括基底、導(dǎo)電薄膜，所述的導(dǎo)電薄膜位于基底上；所述的基底是玻璃基底、 金屬基底或硅基底，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為紫外光吸收層的MOOTiA納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列和至少一個(gè)N型歐姆電極，所述的NiOOTiA納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列上有至少一個(gè) P型歐姆電極；所述的NiOOTiA納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列為TiA納米管陣列和填充于TiA 納米管內(nèi)的NiO納米線構(gòu)成，所述的TiO2納米管陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜的TiO2納米管平行排列構(gòu)成，所述的每一根TiA納米管內(nèi)均生長有一根NiO納米線。本實(shí)用新型所述的導(dǎo)電薄膜為氧化銦錫ITO導(dǎo)電薄膜或摻氟SnO2FTO導(dǎo)電薄膜。本實(shí)用新型所述的P型歐姆電極和N型歐姆電極為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果1、本實(shí)用新型將P、N型材料即NiO和TiO2材料分別作為納米同軸電纜的管芯和管殼，其優(yōu)勢在于納米管具有和納米線一樣的高度有序結(jié)構(gòu)，因此，TiO2納米管和NiO納米線所構(gòu)成的同軸電纜一樣可以為光生電子和空穴分別提供快速輸運(yùn)通道。不僅如此，由于納米線和納米管具有遠(yuǎn)大于體相材料的超大比表面積，NiO納米線和TW2納米管緊密結(jié)合形成納米同軸電纜后，理論上二者界面處形成的空間電荷區(qū)截面將與單根納米線表面積相同，并沿納米電纜軸向分布。大量具有上述特征的納米同軸電纜構(gòu)成陣列后，其空間電荷區(qū)將是同體積傳統(tǒng)層疊式PN結(jié)薄膜所具有的空間電荷區(qū)的上百倍，甚至更大，并貫穿于整個(gè)光敏層內(nèi)。由于空間電荷區(qū)不再僅僅位于薄膜內(nèi)部，而是貫穿整個(gè)薄膜，所以當(dāng)通過P、N 型歐姆電極對納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列施加偏置電壓后，紫外光照在薄膜內(nèi)不同位置所產(chǎn)生的絕大部分光生電子和空穴將不再需要首先擴(kuò)散至空間電荷區(qū)，而是可以在第一時(shí)間原位得到快速分離。盡管會(huì)有很少部分的光生載流子仍然會(huì)產(chǎn)生于空間電荷區(qū)外，但由于納米線或納米管的直徑很小(小于lOOnm)，完全在光生電子的擴(kuò)散距離之內(nèi)。因此，它們可以通過極短距離的擴(kuò)散，進(jìn)入附近的空間電荷區(qū)，并得到分離。這樣可以充分提高光生載流子的利用率。2、本實(shí)用新型采用具有獨(dú)立雙通結(jié)構(gòu)的TW2納米管陣列為N型材料，同時(shí)作為 NiO納米線沉積的模板，通過一次模板原位化學(xué)一步合成法即可實(shí)現(xiàn)MO納米線的制備。其優(yōu)勢是首先，以獨(dú)立雙通TiA納米管陣列為原料兼模板，使制備步驟更為簡單；其次，獨(dú)立雙通TiA納米管具有很好的內(nèi)部流通性，利用雙向擴(kuò)散反應(yīng)，可以很容易地在其內(nèi)部制備一種高致密度的異質(zhì)納米線；再次，模板原位化學(xué)一步合成法中，利用有機(jī)s源受熱分解的特性，來控制S2_離子的釋放速度，從而間接控制MS納米線的生長過程，以便使納米線具有更好的致密度和更有序的結(jié)構(gòu)(NiS可在后期的高溫處理過程中氧化為NiO)。3、由于本實(shí)用新型的核心結(jié)構(gòu)為由TiA納米管陣列和貫穿TiA納米管的NiO納米線構(gòu)成的納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列，具有外量子效率和靈敏度高、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)。4、本實(shí)用新型所述的制備方法具有如下特征納米管陣列制備工藝簡便成熟，可采用目前普遍應(yīng)用的陽極氧化技術(shù)制得，鈦源為比較便宜的鈦鉬，而鎳源為便宜且易于購買的硝酸鎳。制造過程無需昂貴的制造設(shè)備。因基材NiO和TiO2禁帶寬度均在3. OeV以上，所以所制備的探測器只對波長短于380nm的紫外光具有高靈敏度的響應(yīng)輸出，可避免昂貴濾波片的使用。5、本實(shí)用新型采用寬帶隙半導(dǎo)體材料(Eg > 3. OeV)NiO納米線和TW2納米管陣列分別作為P、N型材料制成納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)，并將大量同軸電纜異質(zhì)結(jié)平行排列制成陣列，利用此MOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列作為光敏層制備紫外光探測器6、本實(shí)用新型的NiO納米線和TW2納米管具有比普通納米多晶薄膜更為有序的線狀結(jié)構(gòu)，它們分別充當(dāng)了光生電子和空穴的快速輸運(yùn)通道。最終，在高效分離和快速傳輸?shù)碾p重作用下，光生電子-空穴對的分離效率得到顯著提高。因此，探測器光響應(yīng)速度快， 響應(yīng)度高。

[0023]本實(shí)用新型共有附圖4張，其中圖1是納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器剖面示意圖。圖2是未制備P型歐姆電極的納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外光探測器平面示意圖。圖3是NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列水平剖面示意圖。圖4是NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列豎直剖面示意圖。圖中，1、基底，2、導(dǎo)電薄膜，3、NiOOTiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列，4、P型歐姆電極，5、N型歐姆電極，301、TiO2納米管，302、NiO納米線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-4所示，一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，包括基底1、導(dǎo)電薄膜2，所述的導(dǎo)電薄膜2位于基底1上；所述的基底1是玻璃基底1、金屬基底1或硅基底1，所述的導(dǎo)電薄膜2上有作為紫外光吸收層的NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3和至少一個(gè)N型歐姆電極5，所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3上有至少一個(gè)P型歐姆電極4 ；所述的MOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3為TW2納米管301陣列和填充于TW2納米管301內(nèi)的NiO納米線302構(gòu)成，所述的TW2納米管301陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜2的TW2納米管301平行排列構(gòu)成， 所述的每一根TiO2納米管301內(nèi)均生長有一根NiO納米線302。所述的導(dǎo)電薄膜2為氧化銦錫ITO導(dǎo)電薄膜2或摻氟SnA FTO導(dǎo)電薄膜2。所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極 5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的制備方法，包括以下步驟A、對基底1進(jìn)行清潔處理；B、在清潔處理后的基底1上制備導(dǎo)電薄膜2，獲得導(dǎo)電基底1，并對導(dǎo)電基底1進(jìn)行清潔處理；C、在導(dǎo)電薄膜2上制備NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3，所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3的面積小于導(dǎo)電薄膜2的面積；所述的NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3的制備方法包括以下步驟Cl、以高純Ti片為基材，首先制備一系列垂直于Ti片所在平面的TW2納米管301， 使所制得的TiA納米管301平行排列構(gòu)成TiA納米管301陣列；C2、對所述TW2納米管301陣列進(jìn)行預(yù)處理，除去Ti基底1，制得獨(dú)立雙通TW2納米管301陣列薄膜。C3、以所述獨(dú)立雙通TW2納米管301陣列薄膜為模板，在雙通TW2納米管301內(nèi)制備結(jié)構(gòu)致密的NiO納米線302，構(gòu)成MOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3 ；D、在NiOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3上制備P型歐姆電極4 ；E、在導(dǎo)電薄膜2上制作N型歐姆電極5。本實(shí)用新型所述的基底1厚度為0. 5-2mm ；導(dǎo)電薄膜2為半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜2或金屬導(dǎo)電薄膜2，厚度為0. 5-1 μ m ；NiOiTiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3厚度為0. 5-100 μ m， 其中Τ 02納米管301長度為0. 05-100 μ m,電子濃度大于1 X IO1W3jNiO納米線302長度為0. 05-100 μ m，自由載流子濃度小于1 X IO1W30[0041]本實(shí)用新型所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)，由Au或Pd或Pt或Ni或Al材料制得，厚度為0. 1-5 μ m。本實(shí)用新型所述的TW2納米管301陣列的制備方法包括陽極氧化法、模板法、水熱法、沉積法和磁控濺射法；所述的對TiA納米管301陣列進(jìn)行預(yù)處理的方法包括高壓輔助陽極氧化法、化學(xué)腐蝕法；所述的MO納米線302的制備方法包括模板原位化學(xué)一步合成法、模板-電泳沉積法、原子級氣相沉積法、溶膠-凝膠法；所述的P型歐姆電極4和N型歐姆電極5的制備方法包括濺射工藝、氣相沉積工藝、離子鍍工藝、蒸鍍工藝。本實(shí)用新型所述的高壓輔助陽極氧化法制備獨(dú)立雙通TW2納米管301陣列的步驟如下以Ti片為基材，并作為陰極，鉬片為陽極，施加20-80V電壓，進(jìn)行高壓陽極氧化，氧化時(shí)間持續(xù)20-240min。氧化結(jié)束后，對陰極施加70-130V的脈沖電壓，使氧化后的TW2納米管301陣列脫離Ti基底1，得到獨(dú)立雙通TW2納米管301陣列薄膜。本實(shí)用新型所述的模板原位化學(xué)一步合成法制備MOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3的步驟如下以獨(dú)立雙通TW2納米管301陣列薄膜為模板。將獨(dú)立雙通TW2納米管 301陣列薄膜置于雙單元反應(yīng)器的反應(yīng)通道處，確保反應(yīng)器兩單元被獨(dú)立雙通TiA納米管 301陣列薄膜完全隔離。反別在兩單元內(nèi)注入一定濃度的硝酸鎳和含S有機(jī)醇鹽(硫脲或二硫代乙酰胺等)的醇溶液。將反應(yīng)器置于油浴鍋中，向反應(yīng)溶液內(nèi)通入氬氣，防止S2—氧化。 使含S有機(jī)醇鹽在一定溫度下發(fā)生分解，緩慢釋放S2_離子。溶液中的Ni2+離子和S2_離子通過雙向擴(kuò)散浸入TiA納米管301內(nèi)，在高溫下管內(nèi)原位反應(yīng)生成NiS晶核，并生長成NiS 納米線，隨后將含有NiS納米線的TW2納米管301陣列經(jīng)400-100(TC高溫焙燒，形成NiO 納米線302，最終制得MOOTW2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3。本實(shí)用新型利用偏置電壓電路向紫外探測器提供反向偏置電壓。當(dāng)紫外光照射到探測器石英玻璃一側(cè)時(shí)，NiOOT^2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列3內(nèi)產(chǎn)生光生電子-空穴對，在內(nèi)建電場的作用下，光生電子、空穴分別向TW2納米管301和NiO納米線302快速漂移，并經(jīng)P型歐姆電極4和N型歐姆電極5分別傳入外電路，產(chǎn)生光電流信號，從而達(dá)到紫外光探測的目的。
權(quán)利要求1.一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，包括基底(1)、導(dǎo)電薄膜0)，所述的導(dǎo)電薄膜( 位于基底(1)上；所述的基底(1)是玻璃基底(1)、金屬基底(1)或硅基底 (1)，其特征在于所述的導(dǎo)電薄膜(2)上有作為紫外光吸收層的NiOOTiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列⑶和至少一個(gè)N型歐姆電極(5)，所述的NiOOTiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列(3) 上有至少一個(gè)P型歐姆電極；所述的NiOOTiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列(3)為1102納米管(301)陣列和填充于TiO2納米管(301)內(nèi)的NiO納米線(302)構(gòu)成，所述的TiO2納米管(301)陣列由生長方向垂直于導(dǎo)電薄膜(2)的TiO2納米管(301)平行排列構(gòu)成，所述的每一根TiO2納米管(301)內(nèi)均生長有一根NiO納米線(302)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，其特征在于 所述的導(dǎo)電薄膜O)為氧化銦錫ITO導(dǎo)電薄膜(2)或摻氟SnO2FTO導(dǎo)電薄膜(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，其特征在于 所述的P型歐姆電極(4)和N型歐姆電極(5)為點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)或曲線結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列基紫外探測器，包括基底、導(dǎo)電薄膜，所述的導(dǎo)電薄膜上有作為紫外光吸收層的NiO@TiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列和至少一個(gè)N型歐姆電極，所述的NiO@TiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列上有至少一個(gè)P型歐姆電極；所述的NiO@TiO2納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列為TiO2納米管陣列和填充于TiO2納米管內(nèi)的NiO納米線構(gòu)成。由于本實(shí)用新型的核心結(jié)構(gòu)為由TiO2納米管陣列和貫穿TiO2納米管的NiO納米線構(gòu)成的納米同軸電纜異質(zhì)結(jié)陣列，可以充分提高光生載流子的利用率，具有外量子效率和靈敏度高、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L31/109GK202049984SQ201120162340
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者付姚, 張映輝, 彭勇, 羅昔賢, 邢明銘 申請人:大連海事大學(xué)