一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器及其制备方法与流程

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器及其制备方法。

技术背景

氧化镓是一种宽禁带深紫外半导体材料，具有日盲特性，可以检测200-280nm的紫外光，而对太阳光中的紫外线没有响应，将这类材料用于室外高压线电晕、紫外光通讯和火灾监测等领域具有极大的优势，而不受太阳光的干扰。由于氧化镓薄膜通常需要在高温下合成，其紫外光电探测器件都是在刚性衬底上生长，比如硅片、蓝宝石和石英衬底等，这些器件都无法弯曲，限制了器件的应用范围。而目前大部分的柔性衬底都是高分子类化合物，无法承受高温，因此，急需寻找一种耐高温的柔性衬底作为制作氧化镓柔性器件的基底。

到目前为止，很少有关于柔性日盲紫外光电探测器的报道，虽有中国专利cn201710012296.2报道基于柔性氧化镓纳米带的日盲紫外光电探测器，但是此类探测器是将事先合成的氧化镓纳米带转移到柔性基底上，具有电极制作难度大，稳定性差，与基底贴合不牢固等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、探测能力强、氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，其特征在于，由α-ga2o3纳米柱阵列、非晶sic薄膜、玻璃纤维布衬底以及ti/au薄膜电极组成，所述α-ga2o3纳米柱阵列与非晶sic薄膜之间形成异质结，形成内建电场，可分离光生载流子；所述α-ga2o3纳米柱阵列位于非晶sic薄膜上方，所述非晶sic薄膜位于玻璃纤维布衬底上方；ti/au薄膜电极为两个，分别位于α-ga2o3纳米柱阵列和非晶sic薄膜上方，其中au薄膜位于ti薄膜的上方。

所述非晶sic薄膜厚度为0.5-1.0μm，α-ga2o3纳米柱的直径为50-100nm，高度为300-500nm。

所述α-ga2o3纳米柱阵列的分布面积小于非晶sic薄膜的面积，位于非晶sic薄膜上方的ti/au薄膜电极与α-ga2o3纳米柱阵列位于非晶sic薄膜的同一侧。

本发明的技术方案还包括，一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

步骤二，把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤(1)处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

步骤三，sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，即形成sic薄膜/玻璃纤维布衬底，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.0-1.5pa；

步骤四，将步骤三所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，即形成加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

步骤五，α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为0.8-1.0pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa；

步骤六，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为0.8-1.0pa，溅射功率为60-80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min；

优选的，所述的步骤三中沉积一层sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为500-600℃，溅射功率为100-150w，沉积时间为1-1.5小时；

进一步地，所述的步骤五中加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为450-500℃，溅射功率为60-80w，沉积时间为1-1.5小时。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明所制备的日盲紫外火焰探测器，为mssm型ti/au/α-ga2o3/sic/ti/au异质结纳米阵列柔性日盲紫外火焰探测器件，其中制备的α-ga2o3/sic异质结纳米柱阵列是三维立体的，分布均匀且接触面积大，结的利用效率高，对光的吸收强，光电转换效率高。

2、本发明方法所制备的日盲紫外火焰探测器，采用可弯曲、可折叠、耐高温、绝缘性好的玻璃纤维布作为柔性衬底，并在此衬底上原位生长碳化硅/氧化镓纳米阵列，制作成便捷性的、可穿戴的柔性紫外火焰探测器件，其可探测200-280nm的日盲紫外光，可弯曲、可折叠，可广泛应用于便捷式穿戴设备、智能纺织品和室外日盲紫外火焰的火灾监测等领域。

3、本发明氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，采用磁控溅射法制备α-ga2o3/sic异质结纳米柱阵列，具有成本低、工艺可控、可大面积制备、重复性好、易操作、所得器件柔性可弯曲、与衬底的结合力强等优点。

附图说明

图1是本发明方法制得的氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的结构示意图；

图2是用本发明方法制得的α-ga2o3/sic异质结纳米柱阵列的xrd图谱；

图3是用本发明方法制得的α-ga2o3/sic异质结纳米柱阵列的sem照片；

图4是用本发明方法制得的氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器在-5v偏压及光强为50μw/cm²的254nm和365nm光照下的i-t曲线。

其中：1-α-ga2o3纳米柱阵列；2-非晶sic薄膜；3-玻璃纤维布衬底；4-ti/au薄膜电极。

具体实施方式

结合附图对本发明的内容进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。居于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，步骤如下：

(1)对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

(2)把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤(1)处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

(3)sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.0pa，沉积sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为600℃，溅射功率为100w，沉积时间为1小时；

(4)将步骤(3)所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

(5)α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为1.0pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为450℃，溅射功率为60w，沉积时间为1小时；

(6)利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为1.0pa，溅射功率为80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min；

经过上述实验过程即可制备得到ti/au/α-ga2o3/sic/ti/au异质结纳米阵列柔性日盲紫外火焰探测器件，如图1所示，该探测器由α-ga2o3纳米柱阵列1、非晶sic薄膜2、玻璃纤维布衬底3以及ti/au薄膜电极4组成，所述α-ga2o3纳米柱阵列1与非晶sic薄膜2之间形成异质结，形成内建电场，可分离光生载流子；所述α-ga2o3纳米柱阵列1位于非晶sic薄膜2上方，所述非晶sic薄膜2位于玻璃纤维布衬底3上方；ti/au薄膜电极4为两个，分别位于α-ga2o3纳米柱阵列1和非晶sic薄膜2上方，其中au薄膜位于ti薄膜的上方。

图2为步骤(5)中所得样品的xrd图谱，图中(012)、(104)、(110)、(113)、(024)、(116)、(214)和(300)衍射峰为α-ga2o3的特征峰，图中的宽峰为非晶sic的特征峰，表明在柔性玻璃纤维基底上成功制备了α-ga2o3/非晶sic异质结材料。将步骤(5)中所得样品放入扫面电镜中观察(如图3)，可以看出，α-ga2o3纳米柱的直径为50-100nm，高度为300-500nm。

对步骤(5)中所得的ti/au/α-ga2o3/sic/ti/au异质结纳米阵列柔性日盲紫外火焰探测器件进行光电性能测试(图4)，结果表明，该器件在-5v偏压下，光强为50μw/cm²的254nm光照下通过不断灯开灯关测得的i-t曲线。重复测试4个i-t循环，该器件表现出很好的重复性。在黑暗情况下，该探测器的暗电流为-4na，当光强为50μw/cm²的254nm紫外光照射后，电流迅速增加至-116na，光暗比iphoto/idark达到29，灵敏度高。在相同光照强度下，利用365nm的紫外光对所得ti/au/α-ga2o3/sic/ti/au异质结纳米阵列柔性日盲紫外火焰探测器件进行光电检测，发现无光电流响应，表明本发明所得的探测器具有日盲特性，可以在室外工作而不受太阳光的干扰，有望在室外便捷式穿戴设备和智能纺织品等领域得到广泛应用。

实施例2

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，其步骤如下：

步骤一，对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

步骤二，把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤一处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

步骤三，sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.0pa，沉积sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为550℃，溅射功率为120w，沉积时间为1小时；

步骤四，将步骤三所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，即形成加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

步骤五，α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为1.0pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为450℃，溅射功率为80w，沉积时间为1小时。

步骤六，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为0.8-1.0pa，溅射功率为60-80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min。即获得氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，其结构如图1所示。

实施例3

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，其步骤如下：

步骤一，对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

步骤二，把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤一处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

步骤三，sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.2pa，沉积sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为500℃，溅射功率为100w，沉积时间为1.5小时；

步骤四，将步骤三所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，即形成加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

步骤五，α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为1.0pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为450℃，溅射功率为70w，沉积时间为1小时。

步骤六，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为0.8-1.0pa，溅射功率为60-80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min。即获得氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，其结构如图1所示。

实施例4

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，其步骤如下：

步骤一，对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

步骤二，把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤一处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

步骤三，sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.5pa，沉积sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为600℃，溅射功率为100w，沉积时间为1.5小时；

步骤四，将步骤三所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，即形成加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

步骤五，α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为1.0pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为500℃，溅射功率为80，沉积时间为1小时；

步骤六，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为0.8-1.0pa，溅射功率为60-80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min。即获得氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，其结构如图1所示。

实施例5

一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器的制备方法，其步骤如下：

步骤一，对玻璃纤维布衬底进行清洗，清洗过程如下：将衬底依次浸泡到丙酮、乙醇、去离子水中各超声10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的n2气吹干，待用；

步骤二，把sic和ga2o3靶材分别放置在磁控溅射沉积系统的两个靶台位置，将步骤一处理后的玻璃纤维布衬底固定在样品托上，放进真空腔；

步骤三，sic薄膜的制备：将腔体抽真空，调整真空腔内的压强，通入氩气，加热玻璃纤维布衬底，利用磁控溅射法沉积一层sic薄膜，取出待用，其中，sic靶材与玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-6pa，加热玻璃纤维布衬底时腔体压强为1.5pa，沉积sic薄膜时玻璃纤维布衬底的加热温度为600℃，溅射功率为150w，沉积时间为1.5小时；

步骤四，将步骤三所得sic薄膜/玻璃纤维布衬底放置于加热台，设置加热台的温度为100℃，将一粒ga金属放置于sic薄膜上方，待镓金属融化，利用载玻片将液体ga金属压印成片，即形成加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，冷却后，放入磁控溅射沉积系统的样品托上；

步骤五，α-ga2o3纳米柱阵列的制备：将腔体抽真空，通入氩气，调整真空腔内的压强，再通入氧气，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底，开启ga2o3靶射频电源，利用磁控溅射法在镓金属片表面的镓液滴上原位生长α-ga2o3纳米柱阵列，其中，ga2o3靶材与ga/sic/玻璃纤维布衬底的距离设定为5厘米，抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，通入氩气后，真空腔的压强为0.8pa，通入氧气后，真空腔的压强调整为10³pa，加热ga/sic/玻璃纤维布衬底的加热温度为450℃，溅射功率为80，沉积时间为1.5小时；

步骤六，利用掩膜版并通过射频磁控溅射技术在α-ga2o3纳米柱阵列和sic薄膜上面沉积一层ti/au薄膜作为上下电极，其中，溅射工艺条件：抽真空后腔体压强为1×10^-4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，工作气压为0.8-1.0pa，溅射功率为60-80w，ti和au薄膜的溅射时间分别为2和5min。即获得氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，其结构如图1所示。

实施例6

如图1所示，一种氧化镓基柔性日盲紫外火焰探测器，α-ga2o3纳米柱阵列1、非晶sic薄膜2、玻璃纤维布衬底3以及ti/au薄膜电极4组成，所述α-ga2o3纳米柱阵列1与非晶sic薄膜2之间形成异质结，形成内建电场，可分离光生载流子；所述α-ga2o3纳米柱阵列1位于非晶sic薄膜2上方，所述非晶sic薄膜2位于玻璃纤维布衬底3上方；ti/au薄膜电极4为两个，分别位于α-ga2o3纳米柱阵列1和非晶sic薄膜2上方，其中au薄膜位于ti薄膜的上方。

具体地，所述非晶sic薄膜2的厚度为0.5-1.0μm，α-ga2o3纳米柱的直径为50-100nm，高度为300-500nm。

具体地，所述ti薄膜的厚度为30-50nm，au薄膜的厚度为60-80nm。

优选地，所述α-ga2o3纳米柱阵列1的分布面积小于非晶sic薄膜2的面积，位于非晶sic薄膜2上方的ti/au薄膜电极4与α-ga2o3纳米柱阵列1位于非晶sic薄膜2的同一侧。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上、在本发明的方法和原则之内，所作的任何修改等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。