一种基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，包括透明导电柔性衬底、ZnO籽晶层、ZnO纳米阵列、离子液体凝胶电解质层、Pt导电层和柔性衬底，其边缘采用密封胶粘合密封。其制备方法为先在透明导电柔性衬底上生长ZnO籽晶层，再在其上生长ZnO纳米阵列；将离子液体凝胶电解质均匀涂覆在ZnO纳米阵列层上；再在另一柔性衬底上蒸镀Pt导电层；经粘结密封获得。相比于传统的紫外探测器，本发明具有无需外加偏压、可携带、响应速度快、可弯曲使用等优势，且制备过程简单，可以实现大面积批量生产，此外，此探测器不需要频繁更换电解质，能够稳定的持续工作。
【专利说明】
一种基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着空间、电子技术的迅速发展，人类对紫外线的研究兴趣愈发浓厚。近年来，紫外探测已经发展成一项军民两用的技术。在军用方面，紫外探测可用于空间通讯，紫外干扰，紫外制导;在民用方面，紫外探测可用于日常紫外线强度的探测、明火探测、生物医药分析，环境污染检测等。目前已投入商业化和军事应用的紫外探测器是光电倍增管和硅基紫外探测器。然而，关于自供能的紫外探测器的报道还很少，而且这种类型的探测器一般还存在电解质易挥发阻碍探测器的长时间持续工作。尤其需要指出的是，基于柔性衬底光化学电池结构的准固态自供能型ZnO基紫外探测器还未报道。
[0003]ZnO是一种宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，在紫外探测方面受到越来越广泛的关注。ZnO材料来源广，价格低廉，且ZnO也是一种环境友好型的材料，具有无毒、生物兼容等特点。因此，遵从可持续发展的原则，开展ZnO基紫外探测器的研究很有意义。相比于传统的薄膜紫外探测器，柔性衬底自供能型ZnO基紫外探测器具有无需外加偏压、响应速度快、响应灵敏度高、结构简单、可携带、可折叠等优势。
[0004]最近，人们开发出了各种粘度低、化学稳定性好、熔点低、热稳定性好的离子液体电解质。与普通溶剂不同，离子液体中没有分子，都是阴离子和阳离子，因此离子液体中的离子不会形成分子跑到空气中，即使在200°C的高温下，也不会使离子液体挥发或蒸发，从而减少了对土壤和空气的污染。离子液体具有饱和蒸气压低、溶解度大、电化学窗口大、热稳定性和化学稳定性好等优点。这些优点有望提升探测器的光电转换效率和响应度，易于封装生产，而且不易燃爆具有安全性，在商用和家用领域将会有广阔的应用前景。因此，将其用于柔性自供能型紫外探测器准固态的电解质有望提高探测器的探测性能和循环使用性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种制备成本低、工艺简单且性能优良的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器及其制备方法。
[0006]本发明的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，自下而上依次有透明导电柔性衬底、ZnO籽晶层、ZnO纳米阵列、Pt导电层和柔性衬底，在ZnO纳米阵列和Pt导电层之间填充有离子液体凝胶电解质层，且该探测器边缘通过密封胶粘合密封。
[0007]上述技术方案中，透明导电柔性衬底、ZnO籽晶层与ZnO纳米阵列构成器件的工作电极，Pt导电层及柔性衬底构成器件的对电极，采用的电解质是离子液体凝胶电解质。
[0008]所述的透明导电柔性衬底可以是镀有ITO导电膜的PET。
[0009]通常，ZnO籽晶层的厚度为20?100纳米，ZnO纳米阵列的厚度为I?3微米;离子液体凝胶电解质层均匀涂覆在ZnO纳米阵列层上，厚度为40?60微米;Pt导电层的厚度为60?100纳米。
[0010]基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤:
[0011]I)将经清洗处理的透明导电柔性衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，在20?60°C，02压力为I?3Pa条件下，生长ZnO籽晶层；随后将长有ZnO籽晶的衬底放入水热釜，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源配置生长液，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在80?95°C保温4?10h，在ZnO籽晶层上生长ZnO纳米阵列，获得器件的工作电极；
[0012]2)将50mg 1-甲基-3-丙基碘化咪卩坐鐵溶解于2?3mL已腈中，搅拌10?20min，之后加入0.1?0.2g碘化钾搅拌至溶解，最后加入0.5?2g的聚氧化乙烯，搅拌12h，制备得离子液体凝胶电解质；
[0013]3)将经清洗处理的柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制薄膜的生长速度在0.7?1.1埃米/秒，在柔性衬底上生长Pt导电层，制备得到对电极；
[0014]4)将步骤2)的离子液体凝胶电解质均匀涂覆在ZnO纳米阵列上，再将生长有Pt导电层的柔性衬底翻转覆盖于离子液体凝胶电解质层上，用密封胶将工作电极与对电极粘结，即将透明导电柔性衬底与柔性衬底的边缘粘合密封，得到基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器。
[0015]工作原理:ZnO的功函数要比电解质的氧化还原电位要高，当ZnO和电解质接触时，氧化锌导带的电子会扩散到电解质这一侧直到形成新的平衡态。此时，空间电荷区形成，即内建电场建立，电场方向从氧化锌这一侧指向电解质这一侧。当紫外线照射在ZnO上时，因为紫外光子的能量大于ZnO的禁带宽度，光子会被ZnO吸收，从而产生光生载流子即产生空穴一电子对。空穴-电子对在内建电场的作用下会发生分离，电子会向氧化锌一侧漂移，空穴向电解质这一侧漂移。空穴会将电解质中的I—氧化为I3—，电子在ZnO纳米线中传输至ITO导电层上，再经外电路到达对电极，电子被13—捕获，在Pt的催化下，I3—将被还原成I—，由此构成一个完整的电流回路。只需紫外光持续照在探测器上，器件就能持续工作，就像太阳能电池一样，直接将光能转化为电能，不需要外加电压，是一种自驱动的器件。
[0016]本发明的有益效果在于:
[0017]I)本发明制备过程简单、制备成本低、易于实现大面积生产；
[0018]2)本发明获得的紫外探测器无需外加电压驱动、响应速度快；
[0019]3)探测器中电解质不易挥发和泄露、电荷传输性能较好且可长期稳定使用；
[0020]4)整个器件可以弯曲自如，轻质，携带方便。
【附图说明】
[0021]图1是本发明的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器的结构示意图。
[0022]图中:I为透明导电柔性衬底、2为ZnO籽晶层、3为密封胶、4为ZnO纳米阵列、5为离子液体凝胶电解质层、6为Pt导电层、7为柔性衬底。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图详细叙述本发明。
[0024]参照图1，本发明的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，自下而上依次有为透明导电柔性衬底1、Ζη0籽晶层2、Zn0纳米阵列4、离子液体凝胶电解质层5、Pt导电层6、柔性衬底7，器件边缘通过密封胶3粘合密封。其中ZnO纳米阵列厚度为I?3微米，离子液体凝胶电解质层厚度为40?60微米。
[0025]实施例1
[0026]I)将经清洗处理的镀有ITO导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度60°C，O2压力为IPa，生长厚度为50nm的ZnO籽晶层;然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在80°C保温4h，在ZnO籽晶层上生长长度为1.5μπι的ZnO纳米阵列，制备得工作电极；
[0027]2)将50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解于2mL已腈中，搅拌1min，之后加入
0.1g碘化钾搅拌至溶解，最后加入0.5g的聚氧化乙烯，搅拌12h，制备得离子液体凝胶电解质；
[0028]3)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为10nm;制备得对电极；
[0029]4)将步骤2)的电解质均匀涂覆在步骤I)的ZnO纳米阵列上，再将工作电极与对电极用密封胶封装，得到基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器。
[0030]本例制得的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器响应速度为0.15s。
[0031]实施例2
[0032]I)将经清洗处理的镀有ITO导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度30°C，O2压力为2Pa，生长厚度为20nm的ZnO籽晶层;然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在85°C保温7h，在ZnO籽晶层上生长长度为3μπι的ZnO纳米阵列，制备得工作电极；
[0033]2)将50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解3mL已腈中，搅拌1min，之后加入0.2g碘化钾搅拌至溶解，最后加入Ig的聚氧化乙烯，搅拌12h，制备得离子液体凝胶电解质；
[0034]3)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为60nm，制备得对电极；
[0035]4)将步骤2)的电解质均匀涂覆在步骤I)的ZnO纳米阵列上，再将工作电极与对电极用密封胶封装，得到基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器。
[0036]本例制得的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器响应速度为0.13s。
[0037]实施例3
[0038]I)将经清洗处理的镀有ITO导电膜的PET衬底放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，调节生长温度50°C，O2压力为IPa，生长厚度为80nm的ZnO籽晶层;然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:I，在85°C保温5h，在ZnO籽晶层上生长长度为2.5μπι的ZnO纳米阵列，制备得工作电极；
[0039]2)将50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解于3mL已腈中，搅拌1min，之后加入
0.2g碘化钾搅拌至溶解，最后加入2g的聚氧化乙烯，搅拌12h，制备得离子液体凝胶电解质；
[0040]3)将经清洗处理的PET柔性衬底放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制生长速度为0.7?1.1埃米/秒，在PET上生长Pt导电层，厚度为60nm，制备得对电极；
[0041 ] 4)将步骤2)的电解质均匀涂覆在步骤I)的ZnO纳米阵列上，再将工作电极与对电极用密封胶封装，得到基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器。
[0042]本例制得的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器响应速度为0.11s。
【主权项】
1.一种基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是自下而上依次有透明导电柔性衬底(1)、Ζη0籽晶层(2)、Zn0纳米阵列(4)、Pt导电层(6)和柔性衬底(7);在ZnO纳米阵列(4)和Pt导电层(6)之间填充有离子液体凝胶电解质层(5)，且该探测器边缘通过密封胶(3)粘合密封。2.根据权利要求1所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是所述的离子液体凝胶电解质层(5)均匀涂覆在ZnO纳米阵列(4)层上，厚度为40?60微米。3.根据权利要求1所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是所述的ZnO籽晶层(2)的厚度为20?100纳米，ZnO纳米阵列(4)的厚度为I?3微米。4.根据权利要求1所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是所述的Pt导电层(6)的厚度为60?100纳米。5.根据权利要求1所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是所述的离子液体凝胶电解质层是已腈、1-甲基-3-丙基碘化咪唑鑰、碘化钾、聚氧化乙烯的混合物。6.根据权利要求1所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器，其特征是所述的透明导电柔性衬底(I)是镀有ITO导电膜的PET。7.制备如权利要求1-6任一项所述的基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将经清洗处理的透明导电柔性衬底(I)放入激光脉冲沉积设备，以ZnO陶瓷靶为靶材，在20?600C，O2压力为I?3Pa条件下，生长ZnO籽晶层(2)；然后放入水热反应釜中，以二水乙酸锌和六次甲基四胺为源，二水乙酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1:1，在80?90°C保温4?1h，在ZnO籽晶层上生长ZnO纳米阵列(4)； 2)将50mg1-甲基-3-丙基碘化咪卩坐鐵溶解于2?3mL已腈中，搅拌10?20min，之后加入.0.1?0.2g碘化钾搅拌至溶解，最后加入0.5?2g的聚氧化乙稀，搅拌12h，制备得离子液体凝胶电解质； 3)将经清洗处理的柔性衬底(7)放入电子束蒸发设备，以金属Pt为蒸发源，控制薄膜的生长速度在0.7?1.1埃米/秒，在柔性衬底(7)上生长Pt导电层(6); 4)将步骤2)的离子液体凝胶电解质用玻璃棒均匀地滚涂在步骤I)的ZnO纳米阵列(4)上，再将生长有Pt导电层的柔性衬底(7)翻转覆盖于离子液体凝胶电解质层上，用密封胶将透明导电柔性衬底(I)与柔性衬底(7)的边缘粘合密封，得到基于离子液体凝胶电解质的准固态柔性自供能型ZnO基紫外探测器。
【文档编号】H01L31/09GK106057956SQ201610506459
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】潘新花, 曾溢宇, 叶志镇, 彭晓丽
【申请人】浙江大学