本發(fā)明涉及一種探測器及制備方法，尤其是一種鉍-氧化錫深紫外光探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

紫外光波段探測在軍事預(yù)警、衛(wèi)星間和水下潛艇間安全通信、火焰探測、食品消毒、飲用水凈化等領(lǐng)域有著重要的用途。例如，太陽光輻射經(jīng)過大氣臭氧層的吸收，到達(dá)地球后220-300nm波長范圍的光譜強(qiáng)度極其微弱，稱為日盲區(qū)。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)其他產(chǎn)生大量的日盲區(qū)紫外輻射時，必然來自于人造光源的物體或目標(biāo)。導(dǎo)彈固體發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的羽煙對應(yīng)的紫外光正好處在日盲區(qū)，由于日盲區(qū)背景輻射弱，因而可以輕易的被探測出來，以為己方提供預(yù)警。高鐵運(yùn)行過程中需要高壓電為其提供動力，由于線路受損或污染導(dǎo)致高壓輸變電因?yàn)殡妶黾卸婋x空氣分子，產(chǎn)生電暈現(xiàn)象；電暈過程激發(fā)空氣中氮?dú)夥肿与婋x，發(fā)出深紫外光，電暈不但消耗輸變電能，還有可能因此造成火災(zāi)等重大安全事故或者高鐵延誤等，通過紫外探測器可以及早發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電路問題，進(jìn)行故障檢修。

SnO₂是一種寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，具有寬帶隙(3.6eV)、電學(xué)性能優(yōu)異(載流子遷移率超過250cm²/V·s)、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗輻照能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合制作紫外探測器件。如中國發(fā)明專利申請CN 105154841 A于2015年12月16日公布的本申請人的一種鉍摻雜氧化錫薄膜的制備方法。該發(fā)明專利申請中提及的薄膜的膜厚為80～120nm，膜中結(jié)晶態(tài)鉍含量為1～3.8％，膜的電阻率≥4.22Ω·cm、可見光透過率為84.64～88.47％；制備方法為使用磁控濺射法將鉍錫濺射于石英玻璃上。這種薄膜因其具有極高的電阻率和寬光譜帶的高透過率，雖可極易于在太陽能電池、光電子器件等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，卻和其制備方法都存在著欠缺之處，首先，產(chǎn)物的紫外光探測性能不明顯，難以用于紫外光的探測；其次，制備方法不能獲得具有較高紫外光探測性能的產(chǎn)物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的欠缺之處，提供一種低暗電流下的窄紫外波段響應(yīng)的高量子效率和高探測率的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題為提供一種上述鉍-氧化錫深紫外光探測器的制備方法。

為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：鉍-氧化錫深紫外光探測器包括鉍摻雜氧化錫薄膜，特別是，

所述鉍摻雜氧化錫薄膜的化學(xué)式組成為Bi_xSn_1-xO₂，化學(xué)式中的0.04≤x≤0.3，其中，薄膜中鉍的價態(tài)為Bi⁺³和Bi⁺⁵的比例為45-55％：45-55％；

所述鉍摻雜氧化錫薄膜的厚度為80-200nm，其上置有電極。

作為鉍-氧化錫深紫外光探測器的進(jìn)一步改進(jìn)：

優(yōu)選地，電極為其間距為10-100μm的金屬叉指電極。

優(yōu)選地，金屬為金、銀、銅、鈦、鋁、銦、鉭、鉑中的一種或兩種。

為解決本發(fā)明的另一個技術(shù)問題，所采用的另一個技術(shù)方案為：上述鉍-氧化錫深紫外光探測器的制備方法包括磁控濺射法，特別是主要步驟如下：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為4～30％：70～96％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中，再待真空室的真空度為10^-3-10^-5Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于450-700℃下濺射30-90min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為1-10Pa，其由95-99％的氬氣和1-5％的氧氣組成，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜；

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極，再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離，制得鉍-氧化錫深紫外光探測器。

作為鉍-氧化錫深紫外光探測器的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)：

優(yōu)選地，在將襯底置于樣品臺中之前，先將其分別置于乙醇和丙酮中超聲清洗20min。

優(yōu)選地，襯底為石英，或玻璃，或藍(lán)寶石。

優(yōu)選地，濺射的功率為30-150W。

優(yōu)選地，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為10^-3-10^-5Pa中，使用熱蒸發(fā)法或電子束蒸發(fā)法以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于200-350℃下退火30min。

優(yōu)選地，金屬電極中的金屬為金、銀、銅、鈦、鋁、銦、鉭、鉑中的一種或兩種。

優(yōu)選地，剝離為物理剝離。

相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

其一，對制得的目的產(chǎn)物使用X射線光電子能譜儀進(jìn)行表征，由其結(jié)果可知，目的產(chǎn)物的形貌為薄膜狀、化學(xué)式組成為Bi_xSn_1-xO₂，化學(xué)式中的0.04≤x≤0.3，其中，薄膜中鉍的價態(tài)為Bi⁺³和Bi⁺⁵的比例為45-55％：45-55％，薄膜狀目的產(chǎn)物的厚度為80-200nm，其上置有電極。電極為其間距為10-100μm的金屬叉指電極，其中的金屬為金、銀、銅、鈦、鋁、銦、鉭、鉑中的一種或兩種。這種由鉍摻雜氧化錫以及電極組裝成的目的產(chǎn)物，既由于氧化錫的適宜制作紫外探測器件的特質(zhì)，又因鉍的摻雜作用，還由于合適的摻雜比和鉍的價態(tài)設(shè)定為Bi⁺³和Bi⁺⁵的比例為45-55％：45-55％，而為目的產(chǎn)物具有較高的紫外光探測性能奠定了基礎(chǔ)。

其二，將制得的目的產(chǎn)物作為光探測器件，經(jīng)使用紫外光源、數(shù)字源表配合數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)進(jìn)行多次多批量的測試，當(dāng)目的產(chǎn)物的暗電流低至0.53nA時，其探測范圍為230-390nm、量子效率超過26000％、紫外光探測率超過6×10¹⁴瓊斯，且其探測的一致性和重復(fù)性于目的產(chǎn)物上的多點(diǎn)和任一點(diǎn)都非常的好。進(jìn)一步地，若將目的產(chǎn)物置于含有還原性氣體構(gòu)成的空氣氣氛中時，可于0.6-10s快速地將目的產(chǎn)物的暗電流降低至初始態(tài)；其中，還原性氣體為乙醇、乙二醇等，其占空氣中總體積百分含量的1-50％。

其三，制備方法簡單、科學(xué)、高效。不僅制得了低暗電流下的窄紫外波段響應(yīng)的高量子效率和高探測率的目的產(chǎn)物——鉍-氧化錫深紫外光探測器，還使其具有了可快速恢復(fù)的性能，更有著制作簡單、成本低廉的特點(diǎn)；進(jìn)而使目的產(chǎn)物極易于商業(yè)化地廣泛應(yīng)用于火焰報警、電暈檢測、日盲區(qū)預(yù)警等弱紫外光探測領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是對制備方法制得的目的產(chǎn)物使用X射線光電子能譜(XPS)儀進(jìn)行表征的結(jié)果之一。XPS譜圖顯示出了目的產(chǎn)物中鉍的4f電子結(jié)合能，其+5價和+3價分別占鉍(Bi)總含量的54％和46％。

圖2是對制得的目的產(chǎn)物使用紫外光源、數(shù)字源表配合數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)進(jìn)行表征的結(jié)果之一。其中，圖2中的a圖為紫外光(270nm)照射和黑暗條件下，目的產(chǎn)物的電流-電壓曲線圖，圖中的插圖為目的產(chǎn)物安裝電極面的照片；b圖為目的產(chǎn)物的光譜響應(yīng)度曲線圖；c圖為目的產(chǎn)物的外量子效率曲線圖；d圖為目的產(chǎn)物的探測率曲線圖。圖2中的b圖、c圖和d圖的縱坐標(biāo)均為其相應(yīng)的對數(shù)坐標(biāo)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

首先從市場購得或自行制得：

金屬鉍；

金屬錫；

氬氣；

氧氣；

作為襯底的石英、玻璃和藍(lán)寶石，其中，在將襯底置于樣品臺中之前，先將其分別置于乙醇和丙酮中超聲清洗20min；

作為金屬電極中的金屬的金、銀、銅、鈦、鋁、銦、鉭和鉑。

接著，

實(shí)施例1

制備的具體步驟為：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為4％：96％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中；其中，襯底為石英。再待真空室的真空度為10^-3Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于450℃下濺射90min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為1Pa，其由95％的氬氣和5％的氧氣組成，濺射的功率為30W，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜。

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極；其中，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為10^-3Pa中，使用熱蒸發(fā)法(或電子束蒸發(fā)法)以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于200℃下退火30min，金屬電極中的金屬為金。再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離；其中，剝離為物理剝離。制得近似于圖1中的曲線所示和如圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

實(shí)施例2

制備的具體步驟為：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為11％：89％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中；其中，襯底為石英。再待真空室的真空度為5×10^-4Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于510℃下濺射75min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為3Pa，其由96％的氬氣和4％的氧氣組成，濺射的功率為60W，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜。

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極；其中，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為5×10^-4Pa中，使用熱蒸發(fā)法(或電子束蒸發(fā)法)以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于238℃下退火30min，金屬電極中的金屬為金。再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離；其中，剝離為物理剝離。制得近似于圖1中的曲線所示和如圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

實(shí)施例3

制備的具體步驟為：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為17％：83％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中；其中，襯底為石英。再待真空室的真空度為10^-4Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于570℃下濺射60min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為5Pa，其由97％的氬氣和3％的氧氣組成，濺射的功率為90W，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜。

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極；其中，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為10^-4Pa中，使用熱蒸發(fā)法(或電子束蒸發(fā)法)以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于275℃下退火30min，金屬電極中的金屬為金。再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離；其中，剝離為物理剝離。制得近似于圖1中的曲線所示和如圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

實(shí)施例4

制備的具體步驟為：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為23％：77％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中；其中，襯底為石英。再待真空室的真空度為5×10^-5Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于630℃下濺射45min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為8Pa，其由98％的氬氣和2％的氧氣組成，濺射的功率為120W，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜。

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極；其中，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為5×10^-5Pa中，使用熱蒸發(fā)法(或電子束蒸發(fā)法)以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于318℃下退火30min，金屬電極中的金屬為金。再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離；其中，剝離為物理剝離。制得如圖1和圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

實(shí)施例5

制備的具體步驟為：

步驟1，先將由金屬鉍與金屬錫的面積比為30％：70％的比例組成的鉍錫混合靶和襯底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極上和樣品臺中；其中，襯底為石英。再待真空室的真空度為10^-5Pa后，使真空室處于氬-氧混合氣氛中，于700℃下濺射30min，其中，氬-氧混合氣氛的總壓強(qiáng)為10Pa，其由99％的氬氣和1％的氧氣組成，濺射的功率為150W，得到覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜。

步驟2，先于覆于襯底上的鉍摻雜氧化錫薄膜上安裝電極；其中，安裝電極的過程為，將鉍摻雜氧化錫薄膜置于真空度為10^-5Pa中，使用熱蒸發(fā)法(或電子束蒸發(fā)法)以及電極掩模板輔助法，于鉍摻雜氧化錫薄膜的表面沉積叉指金屬電極后，原位于350℃下退火30min，金屬電極中的金屬為金。再將其上安裝有電極的鉍摻雜氧化錫薄膜與襯底剝離；其中，剝離為物理剝離。制得近似于圖1中的曲線所示和如圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

再分別選用作為襯底的石英或玻璃或藍(lán)寶石，作為金屬電極中的金屬的金、銀、銅、鈦、鋁、銦、鉭、鉑中的一種或兩種，重復(fù)上述實(shí)施例1-5，同樣制得了如或近似于圖1中的曲線所示和如圖2中的曲線所示的鉍-氧化錫深紫外光探測器。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的鉍-氧化錫深紫外光探測器及其制備方法進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。