五氧化二钒光电探测器及其制备方法与流程

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本发明涉及一种光电探测器及制备方法，尤其是一种五氧化二钒光电探测器及其制备方法。

背景技术：

五氧化二钒的带隙为2.3eV，其激发波长位于可见光区域，当可见光照射到五氧化二钒上时，激发价带上的电子跃迁到导带，从而导致电阻发生变化，通过检测电流值的变化可实现光电探测。近年来，人们为了实现五氧化二钒的光电探测，作了一些有益的尝试和努力，如题为“Centimeter-Long V₂O₅Nanowires:From Synthesis to Field-Emission,Electrochemical,Electrical Transport,and Photoconductive Properties”，Adv.Mater.,Vol.22,Page 2547-2552,2010，(“厘米长五氧化二钒纳米线：从合成到场发射，电化学，电输运和光电导性能”，《先进材料》2010年第22卷第2547～2552页)的文章。该文中记载的产物为由水热法合成的80～120nm宽、厘米长的单根五氧化二钒纳米线，产物作为光敏元件进行光电性能测试时，被置于SiO₂/Si衬底上，使用波长450nm的激光或可见光照射。这种产物虽具有良好的光电性能，却与其制备方法都存在着不足之处，首先，由单根五氧化二钒纳米线构成的产物受光照的有效面积太小，致使其在1V电压下的暗电流极小，仅为12.5nA(纳安)，对其光照后的光电流也仅为15.2nA，光电流和暗电流间的差值仅为2.7nA。产物在100V电压下的暗电流也<30nA，极不利于探测光电流的变化，这些都极大地增加了测试的难度，使其极难实际应用；其次，制备方法不能获得光电流和暗电流间差值较大的产物。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种光电流和暗电流的差值变化较大的五氧化二钒光电探测器。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述五氧化二钒光电探测器的制备方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：五氧化二钒光电探测器由附于衬底上的、两端置有电极的五氧化二钒光敏元件组成，特别是，

所述五氧化二钒光敏元件为定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列；

所述组成定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列的五氧化二钒纳米线的线直径为200～600nm、线长为10～50μm。

作为五氧化二钒光电探测器的进一步改进：

优选地，衬底为氧化硅衬底，或玻璃衬底，或陶瓷衬底。

优选地，电极为金电极，或铂电极，或银电极，或铜电极。

优选地，五氧化二钒光敏元件的受光面积为0.7～1.3mm×15～25μm。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述五氧化二钒光电探测器的制备方法包括水热法，特别是主要步骤如下：

步骤1，先使用水热法得到VO₂(A)纳米线，再将VO₂(A)纳米线和水按照重量比为1：800～1200的比例混合后，超声至少10min，得到VO₂(A)纳米线分散液；

步骤2，先按照VO₂(A)纳米线分散液和氯仿的重量比为1：≥0.8的比例，将VO₂(A)纳米线分散液滴加入氯仿中，待VO₂(A)纳米线于氯仿表面自组装成定向有序排列的致密阵列后，使用衬底将其捞起，得到其上覆有VO₂(A)纳米线定向有序排列的致密阵列的衬底，再将其上覆有VO₂(A)纳米线定向有序排列的致密阵列的衬底置于360～400℃下退火至少150min，得到其上覆有定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列的衬底；

步骤3，于定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列的两端安装电极，制得五氧化二钒光电探测器。

作为五氧化二钒光电探测器的制备方法的进一步改进：

优选地，水热法得到VO₂(A)纳米线的过程为，先将五氧化二钒粉末、草酸和水按照重量比为0.2～0.4:0.4～0.6:50的比例混合后搅拌至少1h，得到前躯体溶液，再将前躯体溶液置于密闭状态，于200～240℃下反应至少50h后，对冷却了的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理。

优选地，将VO₂(A)纳米线分散液滴加入氯仿中时为沿容器壁滴加。

优选地，衬底为氧化硅衬底，或玻璃衬底，或陶瓷衬底。

优选地，电极为金电极，或铂电极，或银电极，或铜电极。

优选地，固液分离处理为离心分离，其转速为8000～12000r/min、时间为5～15min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的固态物进行2～3次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于40～80℃下烘10～14h。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，对制得的中间产物——目的产物中的定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列分别使用扫描电镜、X射线衍射仪、半导体测试表征系统和探针台进行表征，由其结果可知，中间产物为线直径为200～600nm、线长为10～50μm的五氧化二钒纳米线定向有序排列成致密阵列；中间产物由五氧化二钒构成；于中间产物两端加电压后，分别置于无光照和可见光照射时的暗电流、暗电流和光电流间的差值变化均比现有技术提高了百倍以上，且响应度和探测率较高。这种由附于衬底上的、两端置有电极的定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列组装成的目的产物，既由于衬底的固定作用，又因定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列具有大的受光面积，而极大地增加了目的产物的暗电流、光电流和两者间的差值变化，使其极具光电探测的实用性。

其二，制备方法科学、有效。不仅制得了光电流和暗电流的差值变化较大的目的产物——五氧化二钒光电探测器；还使其具备了较高的响应度和探测率，更有着制备过程相对简单和便于实现，目的产物的受光面积不受限，以及成本低的特点；进而使目的产物极易于广泛地应用于光电探测领域。

附图说明

图1是对使用水热法得到的VO₂(A)纳米线以及VO₂(A)纳米线有序阵列分别使用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪进行表征的结果之一。其中，图1a为使用水热法得到的VO₂(A)纳米线的SEM图像；图1b为VO₂(A)纳米线有序阵列的SEM图像；图1c为图1a和图1b所示纳米线的XRD谱图，该谱图的底部谱线为VO₂(A)的标准谱线——JCPDS Card：42-0876、上部的曲线为使用水热法得到的纳米线的谱线，其表明纳米线为VO₂(A)纳米线。

图2是对制得的中间产物分别使用SEM和XRD进行表征的结果之一。其中，图2a为中间产物的SEM图像，图2b为中间产物的XRD谱图，该谱图的底部谱线为五氧化二钒的标准谱线——JCPDS Card：89-0612、上部的曲线为中间产物的谱线；由其可看出，中间产物为定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列。

图3是对制得的目的产物使用半导体测试表征系统和探针台进行表征的结果之一。表征时目的产物的受光面积为1mm×20μm，其上加的偏压为3V、可见光照射时的功率为105mW/cm²、无光照和可见光照射的开关周期各为10s。图3a为目的产物的电压-电流曲线图，图3b为目的产物的时间-电流曲线图，图3c为目的产物的响应时间曲线图；由图3可知，目的产物无光照时的暗电流为34μA，有光照时的电流值是增大的，其光电流和暗电流间的差值高达3μA，当采用周期性的光源开/关照射，电流值也是相应地改变，其响应时间(上升和下降)分别为17ms和12ms，目的产物的响应度为160.3mA/W、探测率为6.5×10⁸Jones，此光电性能与文献报道的其它二维材料制备的光电探测器性能相当，甚至某些数值是优于文献报道的。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

首先从市场购得或自行制得：

VO₂(A)纳米线；

氯仿；

作为衬底的氧化硅衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底；

作为电极的金电极、铂电极、银电极和铜电极。

其中，

水热法得到VO₂(A)纳米线的过程为，先将五氧化二钒粉末、草酸和水按照重量比为0.2～0.4:0.4～0.6:50的比例混合后搅拌至少1h，得到前躯体溶液，再将前躯体溶液置于密闭状态，于200～240℃下反应至少50h后，对冷却了的反应液依次进行固液分离、洗涤和干燥的处理；其中的固液分离处理为离心分离，其转速为8000～12000r/min、时间为5～15min，洗涤处理为使用去离子水和乙醇对分离得到的固态物进行2～3次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离，干燥处理为将清洗后的固态物置于40～80℃下烘10～14h。

接着，

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，先使用水热法得到VO₂(A)纳米线。再将VO₂(A)纳米线和水按照重量比为1：800的比例混合后，超声20min，得到VO₂(A)纳米线分散液。

步骤2，先按照VO₂(A)纳米线分散液和氯仿的重量比为1：0.8的比例，将VO₂(A)纳米线分散液沿容器壁滴加入氯仿中，待VO₂(A)纳米线于氯仿表面自组装成定向有序排列的致密阵列后，使用衬底将其捞起，得到其上覆有VO₂(A)纳米线定向有序排列的致密阵列的衬底；其中，衬底为氧化硅衬底。再将其上覆有VO₂(A)纳米线定向有序排列的致密阵列的衬底置于360℃下退火170min，得到其上覆有定向有序排列的五氧化二钒纳米线致密阵列的衬底。