本發(fā)明涉及一種光電探測器，更具體地說是涉及一種氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

光電探測器件可以將感應(yīng)到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，具有重要的軍用價值和廣闊的民用市場。光電探測器件的結(jié)構(gòu)層自下而上依次為絕緣襯底、感光層和電極。納米光電探測器是采用納米材料作為感光層的光電探測器，其具有易于集成、低功耗、低成本的特點。更為重要的是，納米光電探測器與同種材質(zhì)的薄膜光電探測器相比，具有更高的靈敏度和反應(yīng)速度。氧化鋅為近年來廣泛研究的II-VI族半導(dǎo)體材料，室溫禁帶寬度～3.37eV，激子結(jié)合能～60meV，對于紫外線非常敏感。

現(xiàn)有的氧化鋅光電探測器主要是采用氧化鋅薄膜作為感光層，用普通的平面硅作為襯底。這使得氧化鋅光電探測器存在感光面積小、對入射光吸收不充分以及靈敏度低的問題。因而，如何使用一種經(jīng)濟(jì)便捷的方法提升氧化鋅光電探測器對入射光的吸收利用，這在光電探測器領(lǐng)域有著重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器及其制備方法，以期有效增大光電探測器的感光面積，提高對入射光的利用率，提高光電探測器的靈敏度。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器，是以p-型硅片為襯底，在所述襯底的上表面形成有黑硅層，在所述黑硅層上形成有氧化鋅納米棒陣列層；在所述氧化鋅納米棒陣列層上設(shè)置有頂電極；在所述襯底的下表面設(shè)置有底電極。

構(gòu)成所述氧化鋅納米棒陣列層的氧化鋅納米棒垂直于黑硅層生長。

所述p-型硅片的表面形成有金字塔結(jié)構(gòu)。

所述頂電極和所述底電極皆為通過涂抹銀漿而形成的銀電極。

上述氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器的制備方法，包括如下步驟：

a、對p-型硅片進(jìn)行超聲清洗并吹干備用；

b、將1～3g KOH固體和10mL異丙醇溶解在40mL水中，制得堿性刻蝕液；然后將p-型硅片放入堿性刻蝕液中，80～85℃水浴條件下加熱20～40分鐘，取出后沖洗，即在p-型硅片的上表面形成金字塔結(jié)構(gòu)；

c、將0.042g硝酸銀顆粒和10.7mL質(zhì)量濃度為40％的氫氟酸溶解于50mL水中，獲得溶液A；

將2mL質(zhì)量濃度為30％的過氧化氫和10.7mL質(zhì)量濃度為40％的氫氟酸加入到50mL水中，獲得酸性刻蝕液；

將10mL質(zhì)量濃度為68％的硝酸加入到10mL水中，獲得溶液B；

然后將表面形成有金字塔結(jié)構(gòu)的p-型硅片依次在溶液A中浸泡1min，在酸性刻蝕液中刻蝕1～3min，在溶液B中浸泡2～3h；取出后用去離子水清洗，即在p-型硅片的上表面形成黑硅層；

d、將0.16g二水合醋酸鋅溶解于15mL乙二醇甲醚中，制成旋涂液；然后使用勻膠機(jī)將所述旋涂液滴在黑硅層上，并在3000轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速下旋涂20～40s，再在150℃下烘烤10分鐘；重復(fù)滴液、旋涂、烘烤3～5次，使黑硅層上形成氧化鋅籽晶層；

e、將0.2～0.6g六水合硝酸鋅和0.21g烏洛托品溶解于30mL水中，制得氧化鋅納米棒陣列的生長液；將形成有氧化鋅籽晶層的p-型硅片豎直放入盛有生長液的反應(yīng)釜中，95℃生長6h；然后取出并清洗，即在黑硅層上形成氧化鋅納米棒陣列層；

f、利用銀漿分別從p-型硅片底部和氧化鋅納米棒陣列的頂部引出底電極和頂電極，即完成氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器的制備。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的納米光電探測器采用氧化鋅納米棒陣列作為主要的感光層，納米棒排布均勻且致密，具有較大的比表面積，使得納米光電探測器的感光面積顯著地增加，大幅增加了光生載流子的數(shù)量，提升了納米光電器件的靈敏度。

2、本發(fā)明的納米光電探測器以表面具有準(zhǔn)有序晶微結(jié)構(gòu)的黑硅層為襯底，作為清潔高效的新型硅基太陽能電池原材料的一種，擁有極好的陷光效應(yīng)，能夠提升入射光的吸收率、抑制入射光的反射率，在低成本的前提下提升了能量的轉(zhuǎn)換效率，從而進(jìn)一步提升了納米光電探測器的靈敏度。

3、本發(fā)明采用氧化鋅納米棒垂直于生長面的結(jié)構(gòu)，在光照情況下能夠快速地在氧化鋅納米棒表面以及黑硅襯底表面收集到大量的光生載流子，并且借由納米棒垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，這些光生載流子能夠非常快速地在納米棒中傳輸，提高了光電探測器的速度，并且克服了在平面硅上光生載流子傳輸損耗較大的缺點。

4、本發(fā)明從黑硅層的制備到氧化鋅納米棒陣列的合成，全部采用水溶液的方法，無需大型儀器，極大地簡化了納米光電探測器的制備流程，大幅地降低了成本，使得氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器非常易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為襯底，2為黑硅層，3為氧化鋅納米棒陣列層，4為頂電極，5為底電極；

圖2為本發(fā)明實施例1中黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)；

圖3為本發(fā)明實施例1中氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器在黑暗條件下的整流特性曲線；

圖4為本發(fā)明實施例1中氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器在不同光照強(qiáng)度下的光伏特性曲線；

圖5為本發(fā)明實施例1中氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器在頻率為10赫茲的光源下采用歸一化處理后的時間響應(yīng)特性；

圖6為本發(fā)明實施例2中黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)；

圖7為本發(fā)明實施例3中黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本實施例的氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器，是以p-型硅片為襯底1，在襯底1的上表面形成有黑硅層2，在黑硅層2上形成有氧化鋅納米棒陣列層3；在氧化鋅納米棒陣列層3上設(shè)置有頂電極4；在襯底1的下表面設(shè)置有底電極5。其中，構(gòu)成氧化鋅納米棒陣列層3的氧化鋅納米棒垂直于黑硅層生長。p-型硅片的表面形成有金字塔結(jié)構(gòu)。頂電極4和底電極5皆為通過涂抹銀漿而形成的銀電極。

本實施例的納米光電探測器按如下步驟進(jìn)行制備：

1、依次采用丙酮、酒精和純凈水對p-型硅片進(jìn)行超聲清洗，然后利用純度高為99.9％的氮氣將p-型硅片吹干備用；

2、取純度為85％的KOH固體1g、純度為99.5％的異丙醇溶液10mL溶解于40mL水中，制得堿性刻蝕液；將處理過的p-型硅片水平放入裝有堿性刻蝕液的燒杯中，把燒杯放入水浴鍋中，在85℃的條件下進(jìn)行加熱，加熱時間為30分鐘；之后用去離子水反復(fù)沖洗，得到表面有金字塔結(jié)構(gòu)的p-硅片；

3、取0.042g純度為99.8％的硝酸銀顆粒、10.7mL質(zhì)量濃度為40％的氫氟酸，溶解于50mL水中，獲得溶液A；

取2mL質(zhì)量濃度為30％的過氧化氫、10.7mL質(zhì)量濃度為40％的氫氟酸，加入50mL的水中，制成酸性刻蝕液；

將10mL質(zhì)量濃度為68％的硝酸加入到10mL水中，獲得溶液B；

然后將表面形成有金字塔結(jié)構(gòu)的p-型硅片依次在溶液A中浸泡1min，在酸性刻蝕液中刻蝕2.5min，在溶液B中浸泡3h；取出后用去離子水反復(fù)清洗，即在p-型硅片的上表面形成黑硅層；

4、將0.16g純度為99.99％的二水合醋酸鋅溶解于15mL純度為99.5％的乙二醇甲醚中，制成旋涂液；然后使用勻膠機(jī)將旋涂液滴在黑硅層上，并在3000轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速下旋涂30s，再放入高溫干燥箱中在150℃下烘烤10分鐘；重復(fù)滴液、旋涂、烘烤3次，使黑硅層上形成氧化鋅籽晶層；

5、取0.4g純度為99.99％的六水合硝酸鋅和0.21g純度為99.5％的烏洛托品，溶解于30mL水中，制成氧化鋅納米棒陣列的生長液；隨后將形成有氧化鋅籽晶層的p-型硅片豎直放入盛有生長液的反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜放入高溫干燥箱中，在95℃的條件下生長6小時；然后取出并用去離子水小心地清洗，即在黑硅層上形成氧化鋅納米棒陣列層；

圖2為本實施例中黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)，可以看出，氧化鋅納米棒均勻且致密，在黑硅的微金字塔表面能夠觀察到，氧化鋅垂直于生長面生長；

6、利用銀漿分別從p-型硅片底部和氧化鋅納米棒陣列的頂部引出底電極和頂電極，即完成氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器的制備。

圖3為本實施例的樣品在黑暗條件下的整流特性曲線，從圖中可以看出，樣品在黑暗條件下，當(dāng)外加負(fù)偏壓時通過探測器的電流非常小，而在正偏壓的情況下通過探測器的電流迅速上升，具有非常良好的整流特性。

圖4為本實施例的樣品在不同光照強(qiáng)度下的光伏特性曲線(依次為1.02mW/cm²、2.14mW/cm²、3.02mW/cm²、4.02mW/cm²、5.14mW/cm²、6.15mW/cm²)，從圖中可以看出，當(dāng)照射在樣品上的光照強(qiáng)度逐漸增大時，該納米光電探測器的開路電壓也逐漸增大，具有良好的光生伏特效應(yīng)，并且光伏的大小與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖5為本實施例的樣品在頻率為10赫茲的光源下采用歸一化處理后的時間響應(yīng)特性，從圖中可以看出在10赫茲的光源照射下，該納米光電探測器擁有極好的在開啟和閉合狀態(tài)間的切換能力，并且波形展現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性以及可重復(fù)性。

實施例2

本實施例的氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器與實施例1的結(jié)構(gòu)相同，制備方法也基本相同，區(qū)別僅在于步驟5中的生長液為：0.2g六水合硝酸鋅和0.21g烏洛托品溶解于30mL水中。

本實施例黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)如圖6所示，從圖中可以看出在六水合硝酸鋅濃度相對較小的情況下，生長的氧化鋅納米棒直徑也相對變小，同時也更為密集。

實施例3

本實施例的氧化鋅納米棒/黑硅異質(zhì)結(jié)納米光電探測器與實施例1的結(jié)構(gòu)相同，制備方法也基本相同，區(qū)別僅在于步驟5中的生長液為：0.6g六水合硝酸鋅和0.21g烏洛托品溶解于30mL水中。

本實施例黑硅層上生長的氧化鋅納米棒陣列的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖片(頂視圖)如圖7所示，從圖中可以看出在六水合硝酸鋅濃度相對較大的情況下，生長的氧化鋅納米棒直徑也相對變大，同時也更為稀疏。

以上所述僅為本發(fā)明的示例性實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。