一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及一种柔性紫外光电探测器及其制备方法，尤其是涉及一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器及其制备方法。

背景技术：

紫外光电探测器在火灾预警，环境紫外线检测，高压输电线路污闪信号监测，医疗诊断领域具有广泛的应用。常用的紫外光电探测器都是利用刚性衬底上生长的半导体薄膜制备的，例如基于蓝宝石衬底上生长的氮化镓半导体薄膜，或石英衬底上生长的氧化锌半导体薄膜，因此缺乏可弯曲的特性。

随着人类对电子设备需求的改变，电子设备内部的元件也需要进行改变。现如今，人类已经步入一个可穿戴设备的时代，而这类设备需要的是柔性和新的用户界面。电子器件的可弯曲特性可以大幅提高电子设备的便携性、设置及设计的自由度。柔性的紫外光电探测器具有可扭转和弯曲特性，可以大大拓展了其应用范围，包括可穿戴设备、人造仿生组织等新兴领域。近期，有研究者在聚碳酸丙烯酯（ppc）柔性衬底上生长氧化锌半导体薄膜，并制备了紫外光电探测器（n.n.jandow,f.k.yam,s.m.thahab,h.abuhassan,k.ibrahim,currentappliedphysics2010,10:1452）；也有研究者在聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）柔性衬底上生长p-nio/n-zno复合层，并制备了紫外探测器（mdrezaulhasan,tingxie,sarac.barron,guannanliu,nhanv.nguyen,abhishekmotayed,mulpuriv.rao,andratandebnath,aplmaterials,2015,3:106101）。

然而，现有的柔性紫外探测器通常采用ppc或pet等人工合成高分子聚合物为衬底，该类衬底的原料强烈依赖于石油（michaelangelod.tabone,jamesj.cregg,ericj.beckman,andamye.landis,environmentalscience&technology,2010,44:8264），而且通常是非生物降解或是缓慢降解的。这些电子垃圾通常通过填埋或者燃烧的方法处理，因此会对环境造成严重的污染。利用可降解的材料替代电子器件中难降解的人工合成聚合物，从源头上消除电子垃圾的环境污染问题是目前的一个研究热点。透明纤维素衬底是由天然大分子组成的聚合物，具有来源丰富、成本低、可再生、可降解、重量轻、绕曲性能好等优点，是替代传统的合成聚合物衬底的理想材料。同时，纤维素薄膜具有良好的热稳定性、化学稳定性、光学性能、力学性能等物理化学性能，有望取代塑料、玻璃等衬底制备新一代“绿色”电子器件，因而引起全世界科学家的关注（yeihwanjung,tzu-hsuanchang,huilongzhang,chunhuayao,qifengzheng,vinaw.yang,hongyimi,munhokim,sangjunecho,dong-wookpark,haojiang,juhwanlee,yijieqiu,weidongzhou,zhiyongcai,shaoqingongandzhenqiangma,naturecommunications,2015,6:7170）。

此外，高雾度的衬底可以起到陷光作用，提高光电器件对入射光的利用率（zhiqiangfang,honglizhu,yongboyuan,dongheonha,shuzezhu,colinpreston,qingxiachen,yuanyuanli,xiaoganghan,seongwoolee,gangchen,tengli,jeremymunday,jinsonghuangandliangbinghu,nanoletters,2014,14:765）。因此采用高雾度的透明纤维素薄膜作为氧化锌紫外光电探测器的衬底可以提高器件的光响应度，制备出性能优异的纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器及其制备方法，制备的探测器具有对紫外光的特征性探测特性；具有柔性可弯曲特性；可生物降解的特性；且有良好的光入射率和较高的光电探测响应度。其制备方法简便，工艺简单，具有显著的经济和环境效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）采用磁控溅射法在高雾度的透明纤维素薄膜上生长氧化锌半导体薄膜；2）将叉指电极掩模版紧贴在氧化锌半导体薄膜上；3）在叉指电极掩膜版和未被叉指电极掩膜版遮盖的氧化锌半导体薄膜上采用电子束蒸发方法生长金属薄层；4）移除叉指电极掩膜版后、在氧化锌半导体薄膜上制造有金属电极，最终制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器。

步骤1）的生长氧化锌半导体薄膜的高雾度的透明纤维素薄膜的雾度大于70%。

步骤1）的生长的氧化锌半导体薄膜的厚度为100~500nm。

步骤3）的电子束蒸发方法生长的金属薄层为au、ag、ni、cr或al金属薄层。

所述金属薄层的厚度为50~1000nm。

本发明上述的制备方法制得的纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器。

具体地说，本发明采用以下技术方案：

一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器及其制备方法是以高雾度的透明纤维素薄膜为衬底，采用磁控溅射法在纤维素衬底上生长氧化锌半导体薄膜，并制备叉指式结构的紫外光电探测器。包括以下步骤：

1）以高雾度的透明纤维素薄膜为衬底，利用磁控溅射生长一层氧化锌半导体薄膜，厚度为100~500nm。

2）将叉指电极掩膜版紧贴在氧化锌薄膜上。

3）用电子束蒸发方法在纤维素衬底/氧化锌半导体薄膜/叉指电极掩膜版上生长金属薄层，金属薄层材料为au、ag、ni、cr或al金属，厚度为50~1000nm。

4）移除叉指电极掩膜版，制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器。

与现有的柔性紫外光电探测器相比，本发明具有以下突出的优点：

1）本发明制备探测器采用的衬底为纤维素薄膜，其原料是竹、木等生物质材料，来源丰富，可再生；且其是可自然降解的，使用到期而废弃的产品不会对环境造成污染。对于缓解石油资源短缺，拓展纤维素材料的应用范围，减少环境污染，具有重要的现实意义。

2）本发明制备探测器采用的高雾度的透明纤维素薄膜为衬底，探测时光源由衬底侧入射，高雾度的纤维素薄膜可以起到陷光作用，提高探测器对入射光的利用率，因此可以提高纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器的光响应度。

附图说明

图1为纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器示意图。

图中的标号为：1.高雾度的透明纤维素薄膜；2.氧化锌半导体薄膜；3.金属电极。

图2为本发明实施例制备纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器具体过程。

图中标号为：1.高雾度的透明纤维素薄膜；2.氧化锌半导体薄膜；3.金属电极；4.叉指电极掩膜版；5.金属薄层。

图3为实施例1制备的纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器在10v偏压、不同曲率半径的弯曲状态下的光响应谱。

图4为实施例2在雾度75%和零雾度的透明纤维素薄膜衬底上制备的柔性氧化锌紫外光电探测器的光响应谱。

具体实施方式

下面通过具体实施例阐述，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步。

实施例1

参见附图2，以高雾度（75%）的透明纤维素薄膜1为衬底，其制备方法见文献（ming-chunhsieh,hirotakakoga,katsuakisuganumaandmasayanogi,scientificreports,2017,7:41590），利用磁控溅射生长氧化锌半导体薄膜：以氧化锌陶瓷靶为靶材，把高雾度的透明纤维素薄膜衬底装入磁控溅射室，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，通入高纯氩气，调节溅射室的压力达到2pa时，开始氧化锌半导体薄膜的生长，溅射功率为100w，在高雾度的透明纤维素薄膜1衬底上制得氧化锌半导体薄膜2，厚度为100nm（见图2中的过程a）。采用深圳市卓力达电子有限公司生产的不锈钢叉指电极掩膜版，叉指宽度为100μm，叉指间距为100μm，叉指长度为1cm，将叉指电极掩膜版4紧贴在氧化锌薄膜2上（见图2中的过程b）。利用电子束蒸发台在叉指电极掩膜版上生长金属薄层：把纤维素衬底1/氧化锌半导体薄膜2/叉指电极掩膜版4装入电子束蒸发腔体，以au金属为蒸发源，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，调节电子枪束流到150ma，生长一层au金属薄层5，厚度为200nm（见图2中的过程c）。移除叉指电极掩膜版4后，在氧化锌半导体薄膜2上制造有金属电极3，从而制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器（见图2中的过程d）或见图1所示的氧化锌紫外光电探测器结构。

图3为实施例1中制备的纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器在10v偏压下、不同的弯曲半径下测得的光电响应谱。可以看出不同弯曲状态下，纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器的响应谱基本保持不变，没有发生明显的蓝移或红移现象，表明制备的纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器具在弯曲状态下保持良好的探测稳定性。探测器在不同弯曲下的响应谱的响应峰均在365nm波长附近，响应截止边都小于400nm，表明纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器具有良好的紫外光探测灵敏度。

实施例2

参见附图2，以高雾度（75%）的透明纤维素薄膜1为衬底，其制备方法见文献（ming-chunhsieh,hirotakakoga,katsuakisuganumaandmasayanogi,scientificreports,2017,7:41590），利用磁控溅射生长氧化锌半导体薄膜：以氧化锌陶瓷靶为靶材，把高雾度的透明纤维素薄膜衬底装入磁控溅射室，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，通入高纯氩气，调节溅射室的压力达到2pa时，开始氧化锌半导体薄膜的生长，溅射功率为100w，在高雾度的透明纤维素薄膜1衬底上制得氧化锌半导体薄膜2，厚度为200nm（见图2中的过程a）。采用深圳市卓力达电子有限公司生产的不锈钢叉指电极掩膜版，叉指宽度为100μm，叉指间距为100μm，叉指长度为1cm，将叉指电极掩膜版4紧贴在氧化锌薄膜2上（见图2中的过程b）。利用电子束蒸发台生长金属薄层：把纤维素衬底1/氧化锌半导体薄膜2/叉指电极掩膜版4装入电子束蒸发腔体，以al金属为蒸发源，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，调节电子枪束流到150ma，生长一层al金属薄层5，厚度为500nm（见图2中的过程c）。移除叉指电极掩膜版4，制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器（见图2中的过程d）。作为对比以零雾度的透明纤维素薄膜为衬底，采用相同的条件生长氧化锌半导体薄膜后，在氧化锌半导体薄膜2上制造有金属电极3，从而制备纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器或见图1所示的氧化锌紫外光电探测器结构。

图4为采用雾度75%和零雾度的透明纤维素薄膜为衬底制备的探测器的光响应谱，对比发现采用雾度75%的透明纤维素薄膜为衬底制备的探测器的响应度比采用零雾度的透明纤维素薄膜为衬底制备的探测器的响应度高。

实施例3

参见附图2，以高雾度（80%）的透明纤维素薄膜1为衬底，其制备方法见文献（ming-chunhsieh,hirotakakoga,katsuakisuganumaandmasayanogi,scientificreports,2017,7:41590），利用磁控溅射生长氧化锌半导体薄膜：以氧化锌陶瓷靶为靶材，把高雾度的透明纤维素薄膜衬底装入磁控溅射室，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，通入高纯氩气，调节溅射室的压力达到2pa时，开始氧化锌半导体薄膜的生长，溅射功率为100w，在高雾度的透明纤维素薄膜1衬底上制得氧化锌半导体薄膜2，厚度为400nm（见图2中的过程a）。采用将深圳市卓力达电子有限公司生产的不锈钢叉指电极掩膜版，叉指宽度为100μm，叉指间距为100μm，叉指长度为1cm，将叉指电极掩膜版4紧贴在氧化锌薄膜2上（见图2中的过程b）。利用电子束蒸发台生长金属薄层：把纤维素衬底1/氧化锌半导体薄膜2/叉指电极掩膜版4装入电子束蒸发腔体，以ag金属为蒸发源，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，调节电子枪束流到150ma，生长一层ag金属薄层5，厚度为800nm（见图2中的过程c）。移除叉指电极掩膜版4后，在氧化锌半导体薄膜2上制造有金属电极3，从而制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器（见图2中的过程d）或见图1所示的氧化锌紫外光电探测器结构。

实施例4

参见附图2，以高雾度（85%）的透明纤维素薄膜1为衬底，其制备方法见文献（ming-chunhsieh,hirotakakoga,katsuakisuganumaandmasayanogi,scientificreports,2017,7:41590），利用磁控溅射生长氧化锌半导体薄膜：以氧化锌陶瓷靶为靶材，把高雾度的透明纤维素薄膜衬底装入磁控溅射室，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，通入高纯氩气，调节溅射室的压力达到2pa时，开始氧化锌半导体薄膜的生长，溅射功率为100w，在高雾度的透明纤维素薄膜1衬底上制得氧化锌半导体薄膜2，厚度为500nm（见图2中的过程a）。采用将深圳市卓力达电子有限公司生产的不锈钢叉指电极掩膜版，叉指宽度为100μm，叉指间距为100μm，叉指长度为1cm，将叉指电极掩膜版4紧贴在氧化锌薄膜2上（见图2中的过程b）。利用电子束蒸发台生长金属薄层：把纤维素衬底1/氧化锌半导体薄膜2/叉指电极掩膜版4装入电子束蒸发腔体，以cr金属为蒸发源，利用机械泵和分子泵抽真空，当真空室的背景压力小于1×10^-4pa时，调节电子枪束流到150ma，生长一层cr金属薄层5，厚度为1000nm（见图2中的过程c）。移除叉指电极掩膜版4后，在氧化锌半导体薄膜2上制造有金属电极3，从而制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器（见图2中的过程d）或见图1所示的氧化锌紫外光电探测器结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。