本發(fā)明屬于光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種量子點(diǎn)光電探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體光電導(dǎo)式光電探測器的原理是輻射引起被照射的半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率發(fā)生改變，在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量、光纖通信等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。量子點(diǎn)由于具有三個(gè)維度的限域效應(yīng)，電子能量在三個(gè)維度都具有量子化特性，因此具有與尺寸相關(guān)的能量帶隙，吸收波長可調(diào)諧。膠體量子點(diǎn)采用膠體化學(xué)法制備，與普通納米材料相比，具有尺寸可控且均勻性好、活性高、物化特性可控、易于表面修飾、可室溫成膜等特點(diǎn)，作為光電探測器的新型材料倍受關(guān)注。

傳統(tǒng)光電探測器對于能量高于能量帶隙的光波都具有響應(yīng)，需要增加光柵、濾光片等光學(xué)器件來增加探測器對特定波長的光的選擇性，導(dǎo)致器件體積增大、難以集成且成本高昂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種利用金屬微結(jié)構(gòu)的窄帶濾波和光場增強(qiáng)功能，對量子點(diǎn)光電響應(yīng)進(jìn)行波長調(diào)制和增敏，實(shí)現(xiàn)高靈敏、可調(diào)諧的窄帶光電探測器。

本發(fā)明所述金屬微結(jié)構(gòu)就是納米級微尺寸的金屬顆粒周期性排列的陣列。

本發(fā)明提出一種量子點(diǎn)光電探測器，其特征在于，包括從下至上的ito玻璃襯底、ito膜、金屬微結(jié)構(gòu)陣列、量子點(diǎn)薄膜和金屬電極層；

進(jìn)一步的，所述微結(jié)構(gòu)陣列的材料為金、銀、鋁等；所述量子點(diǎn)薄膜材料包括硫化鉛、硒化鉛、硫化鎘、硒化鎘和氧化鋅等在內(nèi)的膠體量子點(diǎn)。

作為本發(fā)明的另一方面，提出了一種量子點(diǎn)光電探測器制備方法，包括如下步驟：

(1)選取ito玻璃襯底為樣片，在ito玻璃襯底上旋涂pmma光刻膠；

(2)光刻膠曝光及微結(jié)構(gòu)圖形定義；

(3)蒸鍍一定厚度的金屬薄膜；

(4)剝離光刻膠及金屬微結(jié)構(gòu)的生成；

(5)將制備好的量子點(diǎn)旋涂或噴涂在上述襯底上形成薄膜；

(6)繼續(xù)蒸鍍一定厚度的金屬形成背底電極，完成器件制備。

進(jìn)一步的，所述金屬微結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)，通過調(diào)整不同的微結(jié)構(gòu)陣列周期與占空比即可實(shí)現(xiàn)不同波段的光電增強(qiáng)。

進(jìn)一步的，所述量子點(diǎn)薄膜材料為硫化鉛、硒化鉛、硫化鎘、硒化鎘和氧化鋅等在內(nèi)的膠體量子點(diǎn)，通過選取合適的量子點(diǎn)材料體系以及改變量子點(diǎn)合成時(shí)間、溫度等條件，調(diào)控量子點(diǎn)的峰值吸收波長位置，實(shí)現(xiàn)不同波段下的光電響應(yīng)增強(qiáng)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)與(6)中的蒸鍍方法為電子束蒸發(fā)或磁控濺射方式。

進(jìn)一步的，步驟(3)鍍金厚度為50至100nm。

進(jìn)一步的，步驟(4)中的剝離光刻膠方法為濕化學(xué)法。

本發(fā)明通過選取合適的金屬和量子點(diǎn)材料體系，調(diào)節(jié)金屬微結(jié)構(gòu)陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與量子點(diǎn)尺寸，實(shí)現(xiàn)高靈敏、可調(diào)諧的窄帶光電探測器，該制備方法簡單，響應(yīng)快，靈敏度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是微結(jié)構(gòu)陣列單元排布示意圖；

圖3是微結(jié)構(gòu)陣列單元示意圖；

圖4是系統(tǒng)測試示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為玻璃襯底、2為ito膜、3為金屬微結(jié)構(gòu)、4為量子點(diǎn)薄膜、5為金屬膜背電極、6為微結(jié)構(gòu)單元、7為光源、8為電流測試系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

金屬表面等離子體和入射光相互耦合，對特定波長的光電波實(shí)現(xiàn)共振，利于增強(qiáng)量子點(diǎn)薄膜的光吸收。光電波共振波長通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)陣列的周期性結(jié)構(gòu)來控制，光電轉(zhuǎn)換特性由調(diào)節(jié)的量子點(diǎn)薄膜吸收峰來進(jìn)行增強(qiáng)，如圖2、圖3所示。在進(jìn)行光電探測時(shí)，ito膜作為下電極，利用硫化鉛膜表面的金屬膜作為上電極，連接電路測試系統(tǒng)，檢測諧振波長的引起電流變化，具體示意如圖4所示。

本發(fā)明提出的這種量子點(diǎn)材料的微結(jié)構(gòu)光電探測器制作方法包括如下步驟：

首先，選取ito玻璃襯底1，本實(shí)施中選取普通商用的ito玻璃。第一步用丙酮溶液超聲波清潔3分鐘；第二步用無水乙醇溶液超聲波清潔3分鐘；最后在去離子水中用超聲波清潔2分鐘，將表面清洗干凈以便于后續(xù)蒸鍍。先在襯底上均勻涂抹一層pmma曝光膠，涂抹時(shí)間90秒，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分鐘，涂抹厚度約300nm。接著，在170℃下烘烤2分鐘。設(shè)計(jì)一定周期性結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)陣列，并制成版圖。再使用電子束曝光設(shè)備將版圖的圖案轉(zhuǎn)移至已經(jīng)旋涂pmma曝光膠的襯底上，曝光電流10na。用電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)在潔凈的襯底表面蒸鍍80nm厚的金屬。通過濕化學(xué)方法去掉pmma膠與附著在膠上的金屬，此時(shí)樣片表面形成微結(jié)構(gòu)陣列。

以氧化鉛(pbo)作為鉛源，雙三甲基硅硫烷(tms)作為硫源，采用膠體化學(xué)法反應(yīng)制備pbse膠體量子點(diǎn)溶液。具體地，在氮?dú)猸h(huán)境下將0.9g(4mmol)pbo溶解到20ml油酸(oa)并加熱至90℃制備油酸鉛的前驅(qū)物，作為鉛源；抽真空達(dá)到8小時(shí)后，將該前驅(qū)物溫度升至150℃；將420ul(1mmol)tms溶解到10mlode中，作為硫源；在150℃下將硫源注入鉛源中，待反應(yīng)體系顏色完全變黑后(大約30s)降至室溫；向冷卻后的溶液中加入丙酮，離心攪拌后去除上清液，繼而經(jīng)過甲苯分散、丙酮離心多次循環(huán)直至上清液純白；將最終所得產(chǎn)物烘干成粉末并分散在正辛烷中得到50mg/ml的硫化鉛量子點(diǎn)溶液。然后通過旋涂方式在吸收峰在500到2000nm波長的微結(jié)構(gòu)樣片表面形成量子點(diǎn)薄膜，最后采用電子束蒸鍍的方式在量子點(diǎn)薄膜表面蒸鍍200nm厚的金屬作為反射層，同時(shí)也作為上電極使用。

以醋酸鉛(pboac)作為鉛源，top硒作為硒源，采用膠體化學(xué)法反應(yīng)制備pbs膠體量子點(diǎn)溶液。具體地，在氮?dú)猸h(huán)境下將0.65gpboac溶解到10ml三辛基膦并加熱至85℃制備鉛的前驅(qū)物，作為鉛源；抽真空達(dá)到8小時(shí)后，將該前驅(qū)物溫度升至180℃；將1.7ml濃度為1m的topse溶液在180℃下注入鉛源中，反應(yīng)1到10分鐘降至室溫；向冷卻后的溶液中加入甲醇，離心攪拌后去除上清液將最終所得產(chǎn)物烘干成粉末并分散在甲苯中得到50mg/ml的硒化鉛量子點(diǎn)溶液。然后通過旋涂方式在吸收峰在1000到4000nm波長的微結(jié)構(gòu)樣片表面形成量子點(diǎn)薄膜，最后采用電子束蒸鍍的方式在量子點(diǎn)薄膜表面蒸鍍200nm厚的金屬作為反射層，同時(shí)也作為上電極使用。

以氧化鎘(cdo)作為鎘源，top硒作為硒源，采用膠體化學(xué)法反應(yīng)制備cdse膠體量子點(diǎn)溶液。具體地，在氮?dú)猸h(huán)境下將0.05gcdo溶解到4gtopo中并加熱至320℃制備前驅(qū)物，作為鎘源，將該前驅(qū)物溫度降至270℃；將0.25ml濃度為1m的topse溶液稀釋4mltop之后在270℃下注入鎘源中，反應(yīng)之后離心，離心攪拌后去除上清液將最終所得產(chǎn)物分散在甲苯中得到50mg/ml的硒化鎘量子點(diǎn)溶液。然后通過旋涂方式在吸收峰在400到800nm波長的微結(jié)構(gòu)樣片表面形成量子點(diǎn)薄膜，最后采用電子束蒸鍍的方式在量子點(diǎn)薄膜表面蒸鍍200nm厚的金屬作為反射層，同時(shí)也作為上電極使用。

以乙酸鎘作為鎘源，硫化鈉作為硫源，采用化學(xué)法反應(yīng)制備cds膠體量子點(diǎn)溶液。具體地，在氮?dú)猸h(huán)境下將2.66g乙酸鎘溶解到100ml去離子水中并加熱至80℃，作為鎘源；將等摩爾比的硫化鈉溶液中，反應(yīng)后降至室溫；向冷卻后的溶液中加入丙酮，離心攪拌后去除上清液將最終所得產(chǎn)物烘干成粉末并分散得到50mg/ml的硫化鎘量子點(diǎn)溶液。然后通過旋涂方式在吸收峰在400到800nm波長的微結(jié)構(gòu)樣片表面形成量子點(diǎn)薄膜，最后采用電子束蒸鍍的方式在量子點(diǎn)薄膜表面蒸鍍200nm厚的金屬作為反射層，同時(shí)也作為上電極使用。

一般探測器對設(shè)計(jì)波段具有良好的光電響應(yīng)，同時(shí)會(huì)對紫外波段會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。本探測器使用量子點(diǎn)材料作為光電探測材料,由于量子點(diǎn)材料本身就具有比較好的光電響應(yīng)，所以對高能短波有更高的吸收效果。用金屬微結(jié)構(gòu)的窄帶濾波功能替代濾波片減少紫外波段對探測器信號的影響，使測器在紫外波段出現(xiàn)微弱的響應(yīng)不會(huì)影響工作波段的響應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)利用金屬微結(jié)構(gòu)的光場增強(qiáng)功能，使得ito與背底電極之間的電流發(fā)生顯著變化。使用微結(jié)構(gòu)陣列能減少光電探測器件的尺寸需求,便于集成化應(yīng)用。

綜上所述，本發(fā)明是一種量子點(diǎn)光電探測器及其制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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)。