一种锰酸镥基近红外光探测薄膜、其制备方法和应用

本发明涉及锰酸镥基无铅铁电薄膜材料，具体地，涉及一种锰酸镥基近红外光探测薄膜、其制备方法和应用。

背景技术：

1、21世纪以来，随着光电领域的不断改革创新，各种新型光电器件层出不穷，其中光电探测器具有将光转换为电信号的能力是目前光电子行业中最为重点的一类光电器件，在自动控制、远程遥感、光学成像、火灾探测、环境监测和军事等领域发挥着重要作用。光电探测器能够探测到从紫外光区到红外光区之间的所有波段，而其主要工作机理是依靠材料的光伏效应。由于当前环境污染和不可再生能源的过度使用等问题日益严重，现代社会对于新型的可再生的清洁能源的需求与日俱增，所以科研人员对于微型化、低能耗和高性能的光电探测器的研究也越来越多，因此自供能光电探测器(光伏型光电探测器)越来越受到他们的青睐。开发新型光探测材料代替传统半导体材料迫在眉睫。

2、锰酸镥基无铅铁电薄膜材料凭借其窄的光学带隙、良好的载流子传输和强的可见光、红外吸收等特点，机械、化学、热稳定且制造成本低等优点，被认为是制备光电器件理想的材料。纯lumno3(lmo)铁电薄膜表现了较宽的光学吸收范围和较弱的吸收强度。在光照下，纯lmo铁电薄膜具有较低的光电流密度，从而极大的限制了其在光探测领域的应用。因此，近年来，通过对纯lmo铁电薄膜采用进行化学元素掺杂以及构建异质结的方式提高铁电薄膜光电流密度(jsc),以此优化lmo铁电薄膜光探测性能。

3、tian等人发表在chem.eng.j.上通过对ymno3进行bi掺杂使其在紫外到近红外的宽波段工作，在标准太阳光下(am 1.5g，100mw/cm2)最大的光电流密度为11.8ma/cm2，在900nm下光照强度为10mw/cm2时最大响应率和探测率分别高达0.07a/w和2.90×1011jones，快速响应时间为0.5/0.6ms。v.solanke等人发表在sensor actuat.a-phys.上通过构建p-gan/α-in2se3垂直异质结结构的近红外光电探测器，在850nm下响应度为70ma/w，探测率为3.6×1010jones。显然这些方法对光探测性能的影响是有限的。此外，基于这些方法提高探测性能存在单一性和不确定性。

技术实现思路

1、针对传统方法对光探测性能的影响是有限的问题，本发明提供了一种锰酸镥基近红外光探测薄膜、其制备方法和应用，通过在锰酸镥基无铅铁电薄膜材料中共掺杂铒和镱，以获得较高的光电流密度、响应度、探测率和快速响应时间。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供一种锰酸镥基近红外光探测薄膜，其特征在于，其分子式为lu(0.98-x)er0.02ybxmno3，其中x的取值为0.04～0.10。

3、本发明通过两种稀土元素铒和镱共掺的上转换策略进行调控，扩宽了lmo薄膜的光吸收范围和增强了吸收强度，同时增强了能量的高效传递，以此在光照下获得高的光探测性能，其具体原理如下：

4、纯lmo铁电薄膜表现了较宽的光学吸收范围和较弱的吸收强度，随着er3+、yb3+离子的引入使得吸收范围扩展至近红外光区，掺杂之后的薄膜的光学带隙减小，从而提高薄膜材料的光吸收能力。但是只凭增强光吸收能力还不足以使光探测性能提升一个数量级。因此，利用er3+、yb3+离子之间能量的高效传递，能够实现对er3+离子的高效泵浦。光吸收能力的增强和高效的能量转移都大大优化了无铅铁电薄膜材料的光探测性能。

5、根据实验结果发现，选择稀土元素er、yb共掺杂，其中yb3+的受激吸收谱比er3+宽且幅值大，可以通过yb3+的高吸收实现了其光学吸收范围在紫外-近红外光区(365nm～1200nm)的扩展；随着yb3+掺杂含量的增加，与lmo薄膜的光学带隙相比，er3+、yb3+共掺杂后薄膜的光学带隙减小；同时，er3+、yb3+之间能量的高效传递，实现对er3+的高效泵浦，由此增强lmo薄膜的光伏效应，使光电流密度大大提升，从而提高探测性能，使响应度和探测率在850nm近红外波长下光照强度为0.5mw/cm2分别提升数倍，在900nm波长下快速响应的上升时间和下降时间大大缩短。

6、具体地，所述薄膜具有p63cm空间基团的六方相结构，其平均表面粗糙度ra为0.8～1.0nm。

7、本发明第二方面提供一种上述的锰酸镥基近红外光探测薄膜的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

8、s1、将可溶性锰盐、镥盐、铒盐、镱盐混合得到lu(0.98-x)er0.02ybxmno3前驱体溶液，静置后得到胶体；

9、s2、将步骤s1得到的胶体涂覆在基底上形成湿凝胶膜；

10、s3、将步骤s2得到的湿凝胶膜进行热处理，得到所述探测薄膜。

11、可溶性锰盐、镥盐、铒盐、镱盐可以是硝酸盐、硫酸盐、氯盐等。

12、优选地，步骤s1中，所述前驱体溶液的制备环境为：室温且湿度不超过30％。

13、优选地，步骤s1中，所述静置的时间为24～36h。

14、具体地，步骤s2中，所述涂覆的方法为：500～600转/min旋涂5～10s，然后2500～3000转/min旋涂20～30s。

15、具体地，步骤s3中，所述热处理的方法为：先在120～180℃下保温4～8min，然后在400～450℃下保温10～15min，最后在550～650℃保温3～5min。

16、优选地，步骤s2和s3循环多次。

17、本发明第三方面提供一种上述的方法制备的锰酸镥基近红外光探测薄膜。

18、本发明第四方面提供一种上述的锰酸镥基近红外光探测薄膜在制备近红外光探测器中的应用。

19、通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：

20、1、本发明通过稀土元素铒、镱共掺进行调控，制备lu(0.98-x)er0.02ybx mno3基础薄膜胶体，当x为0.04～0.10时，扩宽了光学吸收范围和减小了带隙，同时由于er3+、yb3+之间能量的高效传递，实现对er3+的高效泵浦，由此增强lmo薄膜的光伏效应，光电流密度大大提升，850nm近红外波长下响应度和探测率分别提升数倍。这种基于多种稀土元素共掺的上转换策略对光探测性能产生了积极的多重正效应，促进了铁电系列在光探测领域的发展。同时，也使得该材料有望成为新一代环境友好的无铅铁电薄膜材料。

21、2、本发明中材料制备不含铅，对环境无危害，且制备工艺简单，可操作性高，总体成本较低。

技术特征：

1.一种锰酸镥基近红外光探测薄膜，其特征在于，其分子式为lu(0.98-x)er0.02ybxmno3，其中x的取值为0.04～0.10。

2.根据权利要求1所述的探测薄膜，其特征在于，所述薄膜具有p63cm空间基团的六方相结构，其平均表面粗糙度ra为0.8～1.0nm。

3.权利要求1或2所述的锰酸镥基近红外光探测薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述前驱体溶液的制备环境为：室温且湿度不超过30％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述静置的时间为24～36h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述涂覆的方法为：500～600转/min旋涂5～10s，然后2500～3000转/min旋涂20～30s。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述热处理的方法为：先在120～180℃下保温4～8min，然后在400～450℃下保温10～15min，最后在550～650℃保温3～5min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2和s3循环多次。

9.权利要求3至8中任一项所述的方法制备的锰酸镥基近红外光探测薄膜。

10.权利要求1或2或9所述的锰酸镥基近红外光探测薄膜在制备近红外光探测器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种锰酸镥基近红外光探测薄膜、其制备方法和应用，该探测薄膜分子式为Lu<subgt;(0.98‑x)</subgt;Er<subgt;0.02</subgt;Yb<subgt;x</subgt;MnO<subgt;3</subgt;，其中x的取值为0.04～0.10。本发明通过稀土元素铒、镱共掺进行调控，制备Lu<subgt;(0.98‑x)</subgt;Er<subgt;0.02</subgt;Yb<subgt;x</subgt;MnO<subgt;3</subgt;基础薄膜胶体，当x为0.04～0.10时，扩宽了光学吸收范围和减小了带隙，同时由于Er<supgt;3+</supgt;、Yb<supgt;3+</supgt;之间能量的高效传递，实现对Er<supgt;3+</supgt;的高效泵浦，由此增强LMO薄膜的光伏效应，光电流密度大大提升，850nm近红外波长下响应度和探测率分别提升数倍。这种基于多种稀土元素共掺的上转换策略对光探测性能产生了积极的多重正效应，促进了铁电系列在光探测领域的发展。同时，也使得该材料有望成为新一代环境友好的无铅铁电薄膜材料。

技术研发人员：李雍,杨信祥,赵烨,卢春晓,杜金花,张利文,郝喜红
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8