一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器的制作方法

1.本发明涉及一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器，属于光电探测技术领域。


背景技术：

2.日盲紫外光通常是指波段为240
‑
280nm的电磁辐射。由于臭氧层对日盲紫外波段的强烈吸收，到达近地表的该波段紫外光很微弱，为日盲紫外信号的检测提供了天然的低背景窗口。日盲紫外探测器是指对日盲紫外波段有明显光响应的紫外探测器。日盲紫外探测器具有高的信噪比和低的误报率，且在检测微弱信号方面具有显著优势。近年来，紫外探测器因在民用及军事领域均具有重大应用价值而备受关注。紫外探测器在空间通讯、军事导弹预警、臭氧层监测、非视距保密光通信、高压电检测、火焰探测及生化检测等方面都具有广泛的应用前景。
3.氧化镓是一种新兴的超宽禁带半导体材料，禁带宽度可达4.4
‑
5.3ev，对应的截止波长约为240～280nm，是天然的日盲紫外吸收材料。同时，氧化镓的击穿电场强度为8mv/cm左右，达到si的20多倍，达到sic及gan的2倍以上。氧化镓具有高的化学和热稳定性、高的击穿场强和强的抗辐射特性等优点，使得氧化镓探测器可以在恶劣环境中正常工作。
4.因此，近来氧化镓被视为制作紫外光探测器的理想材料，行业研制了多种结构的氧化镓基紫外探测器，包括光电导结构、msm(金属
‑
半导体
‑
金属)结构、肖特基结构等。但是，氧化镓基紫外探测器的肖特基结构制作工艺较为复杂，增加了生产制作成本；光电导结构以及msm结构制作工艺虽然较简单，但光电导结构暗电流大，响应灵敏度低；msm结构则响应速度慢。


技术实现要素：

5.本发明目的在于，提出一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器及其制备方法，在较为简单的工艺制作基础上，实现较高的响应灵敏度和响应速度。
6.技术方案
7.一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器，包括pcb电路板、衬底、光探测材料层和电极层；其中衬底固定在所述pcb电路板上，所述光探测材料层和所述电极层设置在所述衬底上；所述pcb电路板设有金属孔洞，所述固定孔洞内部为金属电极，所述金属电极与所述pcb电路板内电路电连接；所述衬底采用聚酰亚胺(pi)薄膜；所述光探测材料层采用非晶氧化镓(gao)薄膜；所述电极层包括通过激光诱导制备在所述衬底上的石墨烯(lig)电极；其中，所述石墨烯(lig)电极嵌入于所述聚酰亚胺(pi)薄膜中；所述非晶氧化镓(gao)薄膜位于所述石墨烯(lig)电极上方。
8.所述聚酰亚胺(pi)薄膜通过固定螺丝自上而下固定在所述pcb电路板上，所述固定螺丝的螺杆部分穿过所述石墨烯(lig)电极所预留的电极孔洞，嵌入并固定在所述pcb电路板的所述金属孔洞上，所述固定螺丝的头部与所述石墨烯(lig)电极之间设有金属垫片。
9.所述聚酰亚胺(pi)薄膜的厚度为10
‑
300μm；所述聚酰亚胺(pi)薄膜表面电阻为5
±
1ohm/sq。
10.所述非晶氧化镓(gao)薄膜为非晶结构，其厚度为50
‑
800nm。
11.所述石墨烯(lig)电极为叉指形状，其电极对数为6
‑
20对，指间宽度为50
‑
1000μm。
12.所述pcb电路板包括数据处理模块，数据传输模块，供电模块和引脚。
13.一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器的制备方法，包括以下制备步骤：
14.步骤1，选用聚酰亚胺(pi)薄膜为衬底，进行裁剪并清洗；
15.步骤2，将聚酰亚胺(pi)薄膜转化为激光诱导石墨烯(lig)电极，通过使用具有焦平面的激光照射以使衬底进行激光诱导制备石墨烯(lig)电极；
16.步骤3，使用磁控溅射沉积非晶氧化镓(gao)薄膜；
17.步骤4，将聚酰亚胺(pi)薄膜通过固定螺丝自上而下固定在pcb电路板上。
18.进一步的，在步骤2中：利用激光多次照射事先设计好的电极区域，其中，该电极位于激光的焦平面中；所选激光波长应为紫外波段为355nm，激光脉冲频率为50
‑
150khz，激光脉冲宽度为0.1
‑
10微秒。
19.进一步的，在步骤2中，激光诱导石墨烯(lig)电极为叉指形状，电极对数为6
‑
20对，指间宽度为50
‑
1000μm。
20.进一步的，在步骤3中，非晶氧化镓(gao)薄膜采用磁控溅射方法制备，腔内压强为0.1
‑
10pa，射频功率为50
‑
300w，生长时间10
‑
90min。
21.本发明的有益效果在于：
22.本发明制备过程简单，采用商业化的制备方法磁控溅射生长氧化镓(gao)薄膜为光探测材料，工艺可控性强；探测器以聚酰亚胺(pi)薄膜为衬底，通过激光诱导在衬底上制备石墨烯(lig)作为电极材料，使用氧化镓为光探测材料，并将衬底集成在pcb电路板上，非晶氧化镓(gao)薄膜位于石墨烯(lig)电极上方，既可以保护电极不受损，又可以增加光探测材料的有效光照面积，提高探测器的光电性能。结合pcb电路板上的数据处理模块，数据传输模块和供电模块，形成一体化集成高灵敏紫外探测器。该探测器对波长小于280nm的日盲紫外光有明显响应，响应强度为2.38a/w，10v偏压器件在254nm光照射下可实现约104的光暗电流比，且具有快的响应速率，为0.91s。该类探测器使用激光诱导石墨烯(lig)作为电极材料，灵敏度高，光电性能好，且非晶氧化镓(gao)材料制备容易，成本低，可实现大面积低温生长，在日盲紫外探测领域有着广泛的应用前景。结合pcb电路板上的数据处理模块，数据传输模块和供电模块，构成一种高性能，高灵敏度及低成本的探测器。实验表明由上述方法制备的日盲紫外探测器可实现对日盲紫外光的有效探测，具有高灵敏度及高性能。
23.本发明方法的石墨烯电极形状可以任意设计，并通过激光诱导原位生成，不需要掩膜版、光刻、刻蚀等复杂工艺，工艺简单，成本低，适合大规模量产。本发明的石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器可实现对波长小于280nm的日盲紫外光的有效探测，广泛应用于杀菌消毒紫外线监测、高压电弧紫外线监测以及电气火灾紫外线监测等领域。
附图说明
24.图1是本发明所述的石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器的结构图，该探测器以聚酰亚胺(pi)薄膜为衬底，激光诱导石墨烯(lig)为电极材料，非晶氧化镓(gao)薄膜
为光探测材料，并将衬底集成在pcb电路板。
25.图2是图1中激光诱导石墨烯(lig)电极的拉曼图谱。
26.图3是图1中光探测材料氧化镓薄膜的xrd图谱。
27.图4是图1中光探测材料氧化镓薄膜的eds图谱。
28.图5是本发明方法制得的石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器在10v偏压及1000μw/cm2光强254nm下的i
‑
t曲线。
29.附图标号：1、pcb电路板；2、聚酰亚胺(pi)薄膜；3、非晶氧化镓(gao)薄膜；4、石墨烯(lig)电极；5、金属孔洞；6、固定螺丝；7、金属垫片；8、电极孔洞。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
31.本发明提供了一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器，其中探测器包括pcb电路板1、衬底、光探测材料层和电极层；其中衬底固定在pcb电路板1上，光探测材料层和电极层设置在衬底上。
32.优选的，衬底采用聚酰亚胺(pi)薄膜2，聚酰亚胺(pi)薄膜2的厚度为10
‑
300μm；优选聚酰亚胺(pi)薄膜2厚度为120
±
5μm，聚酰亚胺(pi)薄膜2表面电阻为5
±
1ohm/sq。
33.优选的，光探测材料层采用非晶氧化镓(gao)薄膜3，非晶氧化镓(gao)薄膜3为非晶结构，其厚度为50
‑
800nm。
34.优选的，电极层包括通过激光诱导制备在聚酰亚胺(pi)薄膜2上的石墨烯(lig)电极4。
35.优选的，石墨烯(lig)电极4为叉指形状，其电极对数为6
‑
20对，指间宽度为50
‑
1000μm。
36.进一步的，pcb电路板1包括数据处理模块(未示出)，数据传输模块(未示出)，供电模块(未示出)和引脚(未示出)。
37.pcb电路板1设有金属孔洞5，固定孔洞内部为金属电极(未示出)，金属电极与pcb电路板1内电路电连接；聚酰亚胺(pi)薄膜2通过固定螺丝6自上而下固定在pcb电路板1上，固定螺丝6的螺杆部分穿过石墨烯(lig)电极4预留的电极孔洞8，嵌入并固定在pcb电路板1的金属孔洞5上，固定螺丝6的头部与石墨烯(lig)电极4之间设有金属垫片7。
38.本发明还提供了一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器的制备方法，包括以下制备步骤：
39.步骤1，选用聚酰亚胺(pi)薄膜2为衬底，进行裁剪并清洗；
40.步骤2，将聚酰亚胺(pi)薄膜2转化为激光诱导石墨烯(lig)电极4，通过使用具有焦平面的激光照射以使衬底进行激光诱导制备石墨烯(lig)电极4；利用激光多次照射事先设计好的电极区域，其中，该电极区域位于激光的焦平面中；所选激光波长应为紫外波段为355nm，激光脉冲频率为50
‑
150khz，激光脉冲宽度为0.1
‑
10微秒。激光诱导石墨烯(lig)电极4为叉指形状，电极对数为6
‑
20对，指间宽度为50
‑
1000μm。
41.步骤3，使用磁控溅射沉积非晶氧化镓(gao)薄膜3；非晶氧化镓(gao)薄膜3采用磁控溅射方法制备，腔内压强为0.1
‑
10pa，射频功率为50
‑
300w，生长时间10
‑
90min。
42.步骤4，将聚酰亚胺(pi)薄膜2通过固定螺丝6自上而下固定在pcb电路板1上。
43.制备实施例1：
44.具体的，取一片50mm
×
50mm
×
0.12mm大小的聚酰亚胺(pi)薄膜2，将衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水中各冲洗10分钟，取出后再用去离子水冲洗，最后用干燥的气吹干，待用。
45.将清洗干净的聚酰亚胺(pi)薄膜2衬底放在紫外打标机的焦平面，设计电极结构，调节紫外打标机的各个参数如下，频率为120hz，q脉冲宽度1微秒，速度40毫米/秒，在衬底聚酰亚胺(pi)薄膜2上诱导生成厚度为30μm的石墨烯作为电极材料，激光诱导石墨烯(lig)电极4为叉指形状，电极对数为6对，指间宽度为300μm。
46.将形成石墨烯(lig)电极4的聚酰亚胺(pi)薄膜2放入沉积室在其上采用磁控溅射法室温生长非晶氧化镓(gao)薄膜3，生沉积条件如下，背底真空为1
×
10
‑4pa，衬底温度为室温，工作气氛为ar气，ar气气流为170sccm，工作气压为1pa，溅射功率为100w，沉积时间为30min；
47.然后将生长有氧化镓薄膜的聚酰亚胺(pi)薄膜2衬底放在集成化pcb电路板1上，具体地，固定螺丝6穿过激光诱导石墨烯(lig)电极4孔洞，嵌入pcb电路板1的金属孔洞5，且固定螺丝6螺帽与激光诱导石墨烯(lig)电极4之间有金属垫片7衔接。
48.经过上述实验过程即可制备得到一种石墨烯非晶氧化镓薄膜的日盲紫外探测器，如图1所示。该探测器的激光诱导石墨烯(lig)电极4的拉曼图谱，如图2所示，在pi膜上激光诱导得到的激光诱导石墨烯(lig)电极分别在1350cm
‑1，1580cm
‑1和2700cm
‑1位置出现了特征峰d峰，g峰和2d峰，符合石墨烯的主要特征峰。该探测器的探测材料氧化镓薄膜的xrd图谱如图3所示，图中特征峰为馒头峰，结合图4氧化镓薄膜的eds图谱，分析可得该物质主要为镓元素和氧元素组成，作了进一步证明，表明探测材料为非晶氧化镓薄膜。如图5所示，给出了石墨烯非晶氧化镓薄膜的盲紫外探测器在10v偏压及1000μw/cm2光强254nm下的i
‑
t曲线。重复测试了多个循环，该器件表现出很好的重复性。
49.本发明制备过程简单，采用商业化的制备方法磁控溅射生长氧化镓(gao)薄膜3为光探测材料，工艺可控性强；探测器以聚酰亚胺(pi)薄膜2为衬底，通过激光诱导在衬底上制备石墨烯(lig)4作为电极材料，使用氧化镓为光探测材料，并将衬底集成在pcb电路板上，非晶氧化镓(gao)薄膜3位于石墨烯(lig)电极4上方，既可以保护电极不受损，又可以增加光探测材料的有效光照面积，提高探测器的光电性能。结合pcb电路板上的数据处理模块，数据传输模块和供电模块，形成一体化集成高灵敏紫外探测器。该探测器对波长小于280nm的日盲紫外光有明显响应，响应强度为2.38a/w，10v偏压器件在254nm光照射下可实现约104的光暗电流比，且具有快的响应速率，为0.91s。该类探测器使用激光诱导石墨烯(lig)4作为电极材料，灵敏度高，光电性能好，石墨烯电极形状可以任意设计，并通过激光诱导原位生成，不需要掩膜版、光刻、刻蚀等复杂工艺，工艺简单，成本低，适合大规模量产。且非晶氧化镓(gao)3材料制备容易，成本低，可实现大面积低温生长，在日盲紫外探测领域有着广泛的应用前景。结合pcb电路板1上的数据处理模块，数据传输模块和供电模块，构成一种高性能，高灵敏度及低成本的探测器，可实现对波长小于280nm的日盲紫外光的有效探
测，广泛应用于杀菌消毒紫外线监测、高压电弧紫外线监测以及电气火灾紫外线监测等领域。
50.以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。