一种增强型热稳定性光敏传感器及其制备方法与流程

本发明属于光敏传感器制备领域，具体涉及一种增强型热稳定性光敏传感器及其制备方法。

背景技术：

光敏传感器是最常见的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位，在控制智能化方面更是具有巨大的应用价值。为了实现系统的微型化，对传感器的要求而言就是要尽可能缩小其在系统中所占的空间。

二氧化钒薄膜作为一类具有光、电特性的薄膜器件，在一定温度下会由原来的半导体性质快速转变为金属性质，这使它在热触发开关器件方面有十分诱人的前景。而在光学系统中，它将以体积小、重量轻、厚度薄、造价低而具有极高的应用价值。近年来，随着对二氧化钒薄膜研究的不断深入，其广阔的应用前景不断展现出来。在光的照射下二氧化钒薄膜的电导率将发生变化，在通以恒定电流的情况下，其变化值可由电压信号所反映的电阻值进行检测，这一性质使得二氧化钒薄膜可应用于光敏传感器中。目前二氧化钒在光照作用下响应有限且灵敏度低，限制了其在光敏传感器中的应用。而传统光敏传感器又受温度变化影响较大，在温度变化时会发生相应的测量偏差。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提供一种增强型热稳定性光敏传感器及其制作方法；该光敏传感器以单晶蓝宝石基片为基底，由感光层(二氧化钒薄膜)与位于感光层上的增强层(有机钙钛矿薄膜，CH₃NH₃PbI₃)的复合结构组成；该增强型热稳定性光敏传感器对光的响应较单一二氧化钒薄膜有成倍的提高，且灵敏度高，在温度改变时表现出很好的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种增强型热稳定性光敏传感器，包括从下向上依次层叠的基底、感光层和增强层，其特征在于，所述基底为单晶蓝宝石基片(Al₂O₃)，所述感光层为二氧化钒薄膜，所述增强层为钙钛矿薄膜(CH₃NH₃PbI₃)。

进一步地，所述二氧化钒薄膜的厚度为60～100nm，所述钙钛矿薄膜的厚度为250～350nm。

上述增强型热稳定性光敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：配制无机偏钒酸盐聚合物溶液，滤除溶液中游离的离子，形成钒的聚合物前驱溶液；

步骤2：将蓝宝石基片清洗吹干，放置待用；

步骤3：将步骤1所得钒的聚合物前驱溶液旋涂于蓝宝石基片表面，烘干后于空气中冷却；

步骤4：将经步骤3的蓝宝石基片置于还原气氛中，于400～450℃热处理60～70min，冷却得到二氧化钒薄膜；

步骤5：将步骤4制得的二氧化钒薄膜四角用胶带粘盖，放置待用；

步骤6：配制CH₃NH₃PbI₃前驱液；

步骤7：在步骤5得到二氧化钒薄膜薄膜表面滴加CH₃NH₃PbI₃前驱液，经旋涂、烘烤，得到钙钛矿薄膜；

步骤8：撕掉胶带，即制备得所述增强型热稳定性光敏传感。

进一步地，步骤1中，无机偏钒酸盐聚合物溶液配制的过程为：取聚乙烯亚胺于烧杯中加入去离子水，搅拌至完全溶解，再加入偏钒酸钠，超声搅拌至溶液呈黄棕色澄清透明，再加入乙二胺四乙酸，搅拌至完全溶解，溶液由淡黄色慢慢转变成绿色，采用超滤装置，滤去溶液中游离的离子，形成钒的聚合物前驱溶液。

进一步地，步骤4的高温环境为管式炉，并通入混合保护气体，混合保护气体的具体组分为98％的氮气加2％的氢气；具体热处理工艺为：从室温升温到400～450℃，升温速率为1℃/min；保温60～70min；最后降至室温，降温速度为5℃/min。

进一步地，步骤6中，CH₃NH₃PbI₃前驱液的配制过程为：PbI₂和CH₃NH₃I溶于DMF中，匀速搅拌12h。

进一步地，步骤3的烘干环境为恒温烘箱。

进一步地，步骤5所述粘盖胶带为PVC胶带。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的增强型热稳定性光敏传感器，由感光层二氧化钒薄膜与位于感光层上部的增强层有机钙钛矿薄膜(CH₃NH₃PbI₃)的复合结构组成，当光作用于传感器上时，感光层会在光的作用下产生相应的电阻变化，而增强层会在光的作用下产生光生载流子，对其下面的感光层进行进一步的电调制，从而增强感光层对光的响应率，同时使得所制光敏传感器对光的响应更加灵敏。

2.本发明制备的增强型热稳定光敏传感器在测试温度(25℃-50℃)变化范围内，光照下的响应幅度稳定，所制传感器方法简单，成本低，易实现工业化大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例得到的增强型热稳定性光敏传感器的结构示意图。

图2为对比例VO₂/Al₂O₃薄膜表面的扫描电子显微镜图(a)和本发明实施例制备的CH₃NH₃PbI₃/VO₂/Al₂O₃光敏传感器表面的扫描电子显微镜图(b)。

图3为实施例和对比例制备得到的光敏传感器在532nm和650nm光照下的响应变化率数据图。

图4为实施例所制备光敏传感器在650nm光照的不同强度下得到的响应变化率数据图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种增强型热稳定性光敏传感器，其结构如图1所示，包括从下向上依次层叠的基底、感光层和增强层，其特征在于，所述基底为单晶蓝宝石基片(Al₂O₃)，所述感光层为二氧化钒薄膜、厚度为62nm，所述增强层为钙钛矿薄膜(CH₃NH₃PbI₃)、厚度为300nm。

上述增强型热稳定性光敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取聚乙烯亚胺2.0g于烧杯中加入30ml去离子水，搅拌至完全溶解，再加入1.2g的偏钒酸钠，超声搅拌至溶液黄棕色澄清透明，接着加入乙二胺四乙酸3.0g，搅拌至完全溶解，溶液由淡黄色慢慢转变成绿色，使用美国Millipore公司生产的Amicon8050型超滤装置，滤去溶液中游离的离子，形成钒的聚合物前驱溶液；

步骤2：将蓝宝石基片裁成1cm×1cm的大小，使用去离子水、丙酮和无水乙醇依次超声清洗表面，用氮气吹干待用；

步骤3：将配置好的聚合物溶液旋涂在蓝宝石基片上，用甩胶机甩平，甩胶机转速为3500r/min时间为30s；甩胶后的基片置于恒温烘箱中烘30分钟，取出在空气中冷却后，重复旋涂操作多次；

步骤4：把样品放入陶瓷舟内，放置于管式炉的恒温区内，通100ml/min的混合气体保护，混合气体的具体组分为98％的氮气加2％的氢气；设定热处理工艺，具体为：从室温升温到400℃，升温速率为1℃/min；在400℃保温60min；400℃降至室温，降温速度为5℃/min；取出样品，即制得VO₂/Al₂O₃薄膜；

步骤5：将步骤4制得的二氧化钒薄膜四角用胶带粘盖，放置待用；

步骤6：将461mg PbI₂和159mg CH₃NH₃I溶于1mL DMF中，匀速搅拌12h，得到1mM的CH₃NH₃PbI₃前驱液；

步骤7：在步骤5得到的用胶带粘盖的VO₂/Al₂O₃薄膜表面滴加100μL步骤6配制得到的1mM的CH₃NH₃PbI₃前驱液，静置2min后，以3000r/min的转速旋涂6s，旋涂完成后，在60℃下烘烤3min以烤干溶剂，再在100℃下烘烤10min，得到增强层薄膜，膜厚约300nm；

步骤8：撕掉基片四角所粘盖的胶带，得到具有四电极的增强型热稳定性光敏传感器件。采用四线电阻测量法对二氧化钒薄膜的电阻测量，四电极能够消除引线误差，测量过程中采用恒流源。

同时，本实施例将步骤4制备得VO₂/Al₂O₃薄膜作为对比例，进行测试说明：

如图2所示为VO₂/Al₂O₃薄膜表面的扫描电子显微镜图(a)和本实施例制备的CH₃NH₃PbI₃/VO₂/Al₂O₃光敏传感器表面的扫描电子显微镜图(b)。

如图3所示为本实施例和对比例制备得到的光敏传感器在532nm和650nm光照下的响应变化率数据图；由图可知，当同样的光作用于传感器时，本实施例所制传感器比对比例传感器有更高的响应变化率，提高了近一倍，且在温度低于50℃时，在温度上升过程中有很好的稳定性。

图4为实施例所制光传感器在650nm光照的不同强度下得到的响应变化率数据图。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。