一种透明超快响应自供能紫外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，具体涉及一种透明超快响应自供能紫外探测器及其制备方法。

背景技术：

紫外线是指波长在10～400nm之间所有电磁波的统称，它在人们生活和自然界之中广泛存在。紫外探测技术的研发是一项重要的课题，它在通讯、国防军事、成像技术、环境监测、空间科学等领域有着十分重要的应用。传统的硅基紫外探测器需要外加价格昂贵，结构复杂的滤光片才可实现对可见光不吸收。而宽禁带半导体具有较大的禁带宽度，由宽禁带半导体制成的紫外探测器不需要外加滤光片即可实现紫外探测，因此宽禁带半导体紫外探测器有更好的应用前景。

tio2是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度为3.2ev，主要吸收紫外光波段，对可见光不吸收，它具有优良稳定性，光电特性优良并且价格低廉，非常适合做紫外探测器。tio2薄膜材料制备工艺简单，原料便宜易得，为大批量生产紫外探测器提供了可能性。

优异性能和高透明度的透明电子器件是实现下一代“透视”技术的关键，因此全透明紫外探测器具有重要的意义。提升紫外探测器的响应速度(定义为输出信号从峰值输出值的10％变化到90％所需的时间)可以提高紫外探测器的时间分辨能力，特别是对于运动检测，动态成像和高频光通信等应用具有决定性的意义。随着电子技术朝着小型化和便携性的持续发展，需要设备独立且可持续运行，因此电子器件如果能在没有外部电源供给的情况下工作将大大减小系统的体积和重量、并显著提高便携性。通过肖特基结或pn结构建内置电场是一种广泛采用的自供能紫外光电探测器方法。值得注意的是，许多基于异质结的光电探测器需要相对复杂且昂贵的真空沉积技术。与真空沉积技术相比，溶液加工技术是一种很有前景的替代方案，具有操作简单、低成本和易于批量生产的优点。

技术实现要素：

本发明提供了一种透明超快响应自供能紫外探测器及其制备方法，成功将紫外探测器制作为全透明器件，大幅提升了紫外探测器的响应速度，实现了紫外探测器自供能，减小了紫外探测器的体积和重量、并显著提高便携性，以扩大紫外探测器的应用范围。

为达到上述目的，本发明所述一种透明超快响应自供能紫外探测器包括fto导电玻璃层、tio2多晶薄膜层和银纳米线网格层，fto导电玻璃层上设置有一层tio2多晶薄膜层，tio2多晶薄膜上表面设置有银纳米线层。

进一步的，tio2多晶薄膜(3)的厚度为70nm～300nm。

进一步的，tio2多晶薄膜(3)的厚度为200nm。

一种透明超快响应自供能紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、配置旋涂tio2多晶薄膜所用的前驱体溶胶备用；将fto导电玻璃衬底清洗干净、晾干后备用；

步骤2、采用溶胶凝胶法，在清洗好的fto导电玻璃衬底的导电面上旋涂前驱体溶胶沉积为tio2薄膜；

步骤3、将步骤2所得的产品在快速退火炉中退火，退火结束随炉自然冷却至室温后取出；

步骤4、在退火并冷却至室温的tio2薄膜表面滴涂一层银纳米线分散液，干燥后得到透明超快响应自供能紫外探测器。

进一步的，步骤1中，配制前驱体溶胶的具体方法是：将乙二醇甲醚和钛酸四丁酯混合并在以500r/min～1500r/min的转速搅拌，搅拌的同时逐滴加入稳定剂，其中乙二醇甲醚、钛酸四丁酯和稳定剂的体积比为9：(1～4)：2，将所得混合物搅拌2-5小时后并遮光静置12-24小时，得到前驱体溶胶。

进一步的，稳定剂为乙酸酐或乙二胺。

进一步的，步骤2中包括以下步骤：

步骤2.1、将洗净的fto导电玻璃吸附在匀胶机上；

步骤2.2、在fto导电玻璃上滴涂tio2前驱体溶胶，滴涂前驱体溶胶多少视fto导电玻璃大小而定，需要用前驱体溶胶把fto导电玻璃表面全部覆盖均匀；

步骤2.3、将fto导电玻璃先以低速挡300r/min～700r/min的转速旋转1s～7s，再以高速挡2000r/min～4000r/min的转速旋转15s～30s；

步骤2.4、旋涂结束后加热，先用200℃～300℃加热3～10min,再用350℃～400℃加热20min～30min。

步骤2.5、重复步骤2.2至步骤2.4，直到tio2薄膜达到所需厚度。

进一步的，步骤3的具体操作方法为：将步骤2所得的产品放入快速退火炉中，在空气氛围下，从室温加热到450℃～600℃，升温速度为10℃/s～20℃/s；在550℃保温10min～30min然后随炉自然冷却至室温后取出。

进一步的，步骤1中，采用超声清洗的方法对导电玻璃衬底清洗。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明制备紫外探测器完全采用溶液加工工艺，制备工艺简单，比传统真空沉积技术的成本明显降低。制造的紫外探测器具有高光学透明度(70％)，全透明紫外探测器是开发下一代“透视”功能器件的重要组成部分。作为光敏层的二氧化钛(tio2)薄膜夹在两个不同的透明电极之间以形成不对称的肖特基结，紫外探测器可以在零偏压下(即不需要外加电源)工作。在零偏压条件下，器件具有高响应度以及宽带响应(200～400nm)。此种方法制造的光电探测器获得了高达47ns的超快响应速度，显示出比传统透明光电探测器显着的提升。

附图说明

图1为本发明所制备的紫外探测器结构示意图；

图2为生长在fto导电玻璃上的tio2薄膜的x射线衍射(xrd)图；

图3为紫外探测器的光透过率曲线图；

图4为紫外探测器的光电响应曲线图；

图5为紫外探测器的响应时间图；

附图中：1—玻璃；2—fto导电层；3—tio2多晶薄膜层；4—银纳米线网格层，5-fto导电玻璃层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明实施方式，附图某些部件尺寸并不能理解为实际产品的尺寸；对于本行业的专业人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

参照图1，探测器从下到上包括fto导电玻璃层5，fto导电层2做为底电极，fto导电玻璃层的导电面沉积有一层tio2多晶薄膜3做为光敏层，tio2多晶薄膜表面滴涂有银纳米线分散液，银纳米线分散液干燥后形成银纳米线网格层，银纳米线网格层做为顶电极。其中所述tio2多晶薄膜厚度为70nm～300nm。其中，fto导电玻璃层包括玻璃1和fto导电层2。

优选的tio2多晶薄膜厚度为200nm。

实施例1

选用氟掺杂氧化锡(fto)透明导电玻璃作为fto导电玻璃层5，利用溶胶凝胶法在导电玻璃上沉积的二氧化钛薄膜(tio2)，银纳米线透明电极(agnws)。本实施实例选取fto导电玻璃(厚度1.1mm，方阻7ω/□)做衬底，乙酸酐做溶胶凝胶法前驱体稳定剂，选取南京xfnano材料技术有限公司生产的银纳米线做顶电极。根据以上选取来说明本发明紫外探测器制备实施方案。

一种透明超快响应自供能紫外探测器及其制备方法，包括以下步骤：

(一)前驱体的配制

在洁净的反应容器中加入乙二醇甲醚和钛酸四丁酯，混合并剧烈搅拌，搅拌的同时滴加乙酸酐，使得乙二醇甲醚、钛酸四丁酯和乙酸酐的体积比为9：3：2。将所得混合物以1000r/min搅拌3小时并静置12小时，得到浅黄色透明胶体悬浮液即为前驱体溶胶，遮光放置备用。

(二)导电衬底的清洗

将fto导电玻璃衬底依次分别在去离子水、丙酮、酒精中超声清洗15分钟，清洗结束后用氮气吹干后备用。

(三)旋涂tio2薄膜

将洗净的fto导电玻璃衬底吸附在匀胶机上，在其上滴涂适量tio2前驱体试剂，然后先以500r/min旋转5s，再以4000r/min旋转20s。旋涂结束后立即转至加热板加热，先用240℃加热7min，再用350℃加热30min。加热结束后重复旋涂步骤，直到薄膜达到所需厚度。此例中重复旋涂加热三次，tio2薄膜厚度约为200nm。

(四)tio2薄膜退火处理

将旋涂加热完成后的半成品放入快速退火炉中，在空气氛围下加热，从室温加热到550℃，升温速度为10℃/s。在550℃保温10min然后随炉自然冷却至室温后取出。

(五)滴涂银纳米线

将退火完成的tio2薄膜表面滴涂上一层银纳米线分散液，银纳米线分散液的量以能够保证探测器的透明性以及银纳米线的导电性为准。待分散液干燥后即得到紫外探测器。

图2为生长在fto导电玻璃上的tio2薄膜的x射线衍射(xrd)图，由该图可以看出所生长的tio2薄膜为锐钛矿相。图3为实施例1制得的紫外探测器的光透过率曲线图，由图3可知紫外探测器在可见光范围内有70％以上的透过率，200～400nm紫外波长范围内强烈吸收。图4为紫外探测器的光电响应曲线图，在未外加电压的情况下，在波长320nm，光强285μw的紫外光照下，光电流达到2.95μa，光暗电流比达2000。图5为紫外探测器的响应时间图，响应时间为47ns，为现在已有紫外探测器最快响应速度之一。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，乙二胺做前驱体溶胶的稳定剂，同样可以制出所需紫外探测器，步骤1中，乙二醇甲醚、钛酸四丁酯和稳定剂的体积比为9：1：2，以500r/min转速搅拌2小时；步骤2中，tio2薄膜的厚度为300nm。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中，乙二醇甲醚、钛酸四丁酯和乙酸酐的体积比为9：2：2，以1500r/min转速搅拌5小时；步骤2中，tio2薄膜的厚度为70nm。同样可得到所需紫外探测器。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中，乙二醇甲醚、钛酸四丁酯和稳定剂的体积比为9：4：2；步骤3中，将fto导电玻璃先以低速挡700r/min的转速旋转7s，再在高速挡4000r/min下转30s。旋涂后加热先用300℃加热10分钟，再用400℃加热20分钟。步骤4中，从室温加热到450℃，升温速度20℃/s,保温30分钟。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤3中，将fto导电玻璃先以低速挡300r/min的转速旋转1s，再以2000r/min的转速转15s。旋涂后加热先用200℃加热3分钟，再用370℃加热15分钟。步骤4中，从室温加热到600℃，升温速度15℃/s,保温20分钟。

本发明所制备的探测器，作为光敏层的二氧化钛薄膜夹在两个不同的透明电极之间以形成不对称的肖特基结。紫外探测器可以在零偏压下工作。紫外探测器对宽带紫外光(200～400nm)具有明显的光电响应。利用上述方法制备的测器获得了47ns的超快响应速度，显示出比传统紫外探测器显着的改进。探测器完全采用溶液处理制备，具有工艺简单，低成本和易于批量生产的优点。

需要指出的是，按照本发明的技术方案，上述实施例还可以举出许多，根据申请人大量的实验结果证明，在本发明的权利要求书所提出的范围，均可以达到本发明的目的。