一种纳米线冷阴极平板光探测器的制作方法

本发明涉及纳米线冷阴极平板光探测器，属于光探测领域。

背景技术：

平板型光探测器在工业、医疗和航空航天上具有广泛的应用。特别在x射线成像应用中，目前主流的x射线探测器通常采用间接转换方式，即：首先利用闪烁体将x射线转换为可见光，然后使用由光电导和薄膜晶体管组成的探测单元读取光电信号。例如三星电子株式会社公开一种用于x射线探测器的薄膜晶体管阵列衬底和x射线探测器(中国发明专利，公开号：cn101325207)，其中光电薄膜晶体管阵列衬底由栅极布线、栅绝缘层、有源层、数据布线、光电二极管、有机绝缘层和偏置布线等组成。由此可见，采用薄膜晶体管的x射线探测器结构较为复杂，而且进一步提高灵敏度和动态响应范围受到薄膜晶体管特性的制约。

近年来，研究者开始采用场致电子发射原理的冷阴极组成的真空管作为读出器件实现平板探测器。相对于薄膜晶体管，冷阴极真空管具有响应速度快、空间分辨力高等优点，有望实现工业应用。配合不同的光电导体材料，可以实现对x射线、可见光或其他波长光的直接探测。例如，t.miyoshi等人使用spindt型冷阴极真空管和非晶硒光电导薄膜制备了直接型x射线平板探测器(t.miyoshi,etal,j.synchrotronrad.,15,281–284(2008))，该平板探测器可应用于蛋白质晶体成像，像素大小为20微米，帧频为30帧每秒，最大电压为1600伏。但是，大面积spindt型的冷阴极电子源制作工艺极其困难，因而较难采用实现spindt型冷阴极真空管大面积平板探测器困难。此外，这一类平板光探测器的灵敏度和动态响应范围的还需进一步提高。因此，我们在本发明中提出了一种采用纳米线冷阴极实现放大和读出的平板光探测器，利用纳米线冷阴极的非线性电流电压特性，实现高灵敏度的光探测。同时，通过利用纳米冷阴极大面积制备可控性好的特点，有望实现大面积平板探测器的低成本制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构优化的，可以实现高灵敏度探测的，同时灵敏度和动态响应范围可调的纳米线冷阴极平板光探测器，该纳米线冷阴极平板光探测器具有成像功能。

本发明采用以下技术方案来解决该现有技术的问题：

一种纳米线冷阴极平板光探测器，包括冷阴极基板和光电导阳极基板，所述冷阴极基板和光电导阳极基板之间保持真空间隙。

本发明的纳米线冷阴极平板光探测器工作时，光电导阳极基板相对于冷阴极基板施加一正的高电压。光照时，光电导阳极基板的电阻发生变化，使得施加在冷阴极基板上的电压发生变化，并使得冷阴极基板上的电流随着电压发生非线性变化，实现光强变化时电流的大幅度变化。因而，通过检测冷阴极基板发射电流的变化可实现高灵敏度的光探测。

优选地，所述冷阴极基板及光电导阳极基板通过隔离体相互绝缘的固定在一起，所述冷阴极基板和光电导阳极基板之间的距离为0.1mm～1mm。

优选地，所述光电导阳极基板主要由玻璃衬底、阳极电极及光电导体构成，所述阳极电极上接有与外部电源连接的引出线，所述外部电源用于向光电导阳极基板施加电压。

优选地，所述外部电源向光电导阳极基板所施加的电压范围是100v～4000v。

优选地，所述光电导体由光电导薄膜材料组成。

优选地，所述冷阴极基板主要由玻璃衬底、阴极电极及分布于阴极电极上的纳米线点阵构成。本发明所用的纳米线冷阴极为半导体纳米线，可大面积定域制备于平板衬底上。

优选地，所述纳米线点阵包括由氧化锌纳米线、氧化铜纳米线或氧化钨纳米线所构成的点阵。

优选地，所述纳米线冷阴极平板光探测器可实现对可见光、红外线、紫外线、x射线及γ射线等光波段的探测。

优选地，所述的冷阴极基板为可寻址的纳米线冷阴极基板，所述可寻址的纳米线冷阴极基板包括玻璃衬底、阴极电极条、栅极电极条、纳米线点阵及制备于阴极电极条及栅极电极条之间的绝缘层，所述阴极电极条直接制备于玻璃衬底上且与栅极电极条相互交叉垂直设置，所述纳米线点阵生长于阴极电极条上。所述的冷阴极基板可通过冷阴极电子源寻址而实现成像功能。

优选地，所述的可寻址的纳米线冷阴极基板在栅极电极条上接出引线与外部电源相连，在阴极电极条上接出引线与地相连。

优选地，所述的可寻址的冷阴极基板的栅极电极条上所施加的电压范围为0～200v。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的纳米线冷阴极平板光探测器，采用纳米线冷阴极实现放大和读出，利用纳米线冷阴极的非线性电流电压特性，实现高灵敏度的光探测。同时，通过利用纳米冷阴极大面积制备可控性好的特点，有望实现大面积平板探测器的低成本制备。通过调节施加在阳极电极或栅极电极上的电压，可调节本发明的平板探测器的灵敏度和动态响应范围。也可以通过采用不同的纳米线冷阴极，如不同的直径、高度、密度的纳米线，或改变阴阳极间距等方法实现具有不同灵敏度和动态响应范围的平板光探测器。

附图说明

图1是实施例1所述光探测器结构示意图。

图中：(a)阴极玻璃衬底；(b)阴极电极；(c)纳米线；(d)隔离体；(e)光电导体；(f)阳极电极；(g)阳极玻璃衬底。

图2是实施例2所述可寻址的平板光探测器结构示意图。

图中：(a)阴极玻璃衬底；(b)阴极电极条；(c)绝缘层；(d)栅极电极条；(e)纳米线；(f)隔离体；(g)光电导体；(h)阳极电极；(i)阳极玻璃衬底。)

图3是zno纳米线冷阴极阵列sem形貌图。

图4是zno纳米线冷阴极高倍数sem形貌图。

图5是不同阳极电压下的光响应，图中：(a)黑状态和光照时的探测器的i-v特性；(b)不同阳极电压下的光电流响应曲线。

图6是采用不同阴极特性的冷阴极时的光响应，图中：(a)光探测器#1和#2的阴极的i-v特性；(b)不同阴极特性下的光电流响应曲线。

图7是不同阴阳极间距的探测器的光电流响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构作进一步详细的解释和说明，但并非是对本发明结构的限定。

本发明的平板光探测器主要由制备有纳米线冷阴极的冷阴极基板和制备有光电导体的阳极基板组成。冷阴极基板衬底上直接制备阴极电极和纳米线冷阴极，或制备带栅极的纳米线冷阴极电子源阵列。阳极基板衬底上依次制备阳极电极和光电导体。上述的阴极基板和阳极基板通过支架相互绝缘的固定在一起，并在阴极基板和阳极基板之间保持真空间隙状态。

带栅极的纳米线冷阴极电子源阵列可以实现寻址功能，其结构包括相互交叉垂直的阴极电极条和栅极电极条，阴极电极条和栅极电极条之间的绝缘层以及生长在阴极电极条上的纳米线点阵，通过冷阴极电子源寻址，可以实现成像功能。

实施例1

如图1所示，本实施例的纳米线冷阴极平板光探测器由冷阴极基板和光电导阳极基板组成。冷阴极基板由阴极玻璃衬底a、阴极电极b及zno纳米线点阵c组成，其中阴极电极b为ito电极。光电导阳极基板由阳极玻璃衬底g、阳极电极f和光电导体e组成，其中阳极电极f为ito电极。冷阴极基板和光电导阳极基板由隔离体d隔开，通过支架相互绝缘的固定在一起，冷阴极基板和光电导阳极基板之间的间距为0.1mm～1mm。其中，玻璃衬底厚度为3mm；ito电极通过磁控溅射方法制备，厚度为500nm；zno纳米线点阵是采用下述方法制得，首先通过光刻和电子束蒸发形成zn点阵，再通过在大气中热氧化形成zno纳米线，最后热氧化温度为500℃，时间为3小时。光电导体e是由印刷法制备的硫化锌薄膜；隔离体d的材料为陶瓷片。制备好上述器件后，把该器件放置在真空腔中，真空度保持为1×10^-5pa，然后在阳极的ito电极上接出引线与外部电源相连，在阴极的ito电极上接出引线与地相连。阳极的ito电极上所施加的电压为100v～4000v。

实施例2

请同时参阅图2，如图2是可寻址的平板光探测器结构示意图。

本实施例所述可寻址的纳米线冷阴极平板光探测器，由冷阴极基板和光电导阳极基板组成。光电导阳极基板的结构如实施例1所述。冷阴极基板为可寻址的纳米线冷阴极基板，包括玻璃衬底a、阴极电极条b、栅极电极条d、纳米线点阵e及制备于阴极电极条b及栅极电极条d之间的绝缘层c。阴极电极条b直接制备于玻璃衬底a上，与栅极电极条相互交叉垂直分布。纳米线点阵e生长于阴极电极条b。制备好上述器件后，把该器件放置在真空腔中，真空度保持为1×10^-5pa，然后在阳极的ito电极上和冷阴极基板的栅极电极条上接出引线与外部电源相连，在冷阴极基板的阴极电极条上接出引线与地相连。阳极的ito电极上所施加的电压为100v～4000v，冷阴极基板的栅极电极条上所施加的电压为0～200v。通过冷阴极电子源寻址，本实施例可以实现寻址成像的功能。

图3是使用扫描电子显微镜观察的zno纳米线冷阴极阵列形貌图。图4则显示了zno纳米线高放大倍数下的形貌图，zno纳米线的生长密度约为为5×10⁸cm^-2，高度约为2μm，尖端直径约为20nm。

图5(a)是光探测器在黑暗环境下和白光照射下的电流-电压(i-v)特性，可以看到相同电压下，白光照射的zno纳米线场发射电流明显大于黑暗环境下的电流。在1600v的阳极电压下，黑暗环境和白光照射下的zno纳米线场发射电流分别为97.5μa和514.0μa。图5(b)是分别对阳极施加电压为1350v和1600v时的光电流响应曲线。当阳极电压为1350v时，光电流/暗电流比约为15.5；当阳极电压为1600v时，光电流/暗电流比约为6.6。光探测器的灵敏度和动态响应范围与光电流/暗电流比密切相关。因此，光探测器的灵敏度和动态响应范围可以通过阳极电压来调节。

图6(a)是光探测器使用两种不同发射特性的阴极(阴极#1和阴极#2)时的暗态电流-电压(i-v)特性。可以看到在相同的电压下，光探测器#1的电流明显比光探测#2的高。在1925v的阳极电压下，光探测器#1和#2的电流分别为1804μa和184μa。图6(b)是固定阳极电压和阴阳极间距时，光探测器#1和#2的光电流响应曲线。结果显示，光探测器#1和#2的光电流/暗电流比分别为20.9和9.4。光探测器的灵敏度和动态响应范围与光电流/暗电流比密切相关。因此，该结果说明可以通过采用不同发射特性的阴极来实现具有不同灵敏度和动态响应范围的光探测器。

图7是光探测器在不同阴阳极间距下的光电流响应曲线。阴阳极间距分别为0.28mm、0.4mm和0.52mm时，光暗电流比分别为15.7、7.8和1.8。光探测器的灵敏度和动态响应范围与光电流/暗电流比密切相关。因此，该结果说明可以通过采用不同阴阳极间距来实现具有不同灵敏度和动态响应范围的光探测器。