一种基于氧化锌/聚乙二醇膏状材料的纸基柔性紫外光电探测器及其制备方法

1.本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于氧化锌/聚乙二醇膏状材料的纸基柔性紫外光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.紫外线(uv)辐射(10
–
400nm)是自然界最强的辐射之一，对有机生命体存在着深远的影响。紫外光电探测器是一种能够检测紫外线强度的传感器，在环境监测、火焰探测、地质探测、空间通信、化学和药物分析等领域有着广泛应用。基于半导体光电效应的紫外光电探测器关键在于制备性能优异的光敏材料。
3.氧化锌(zno)是一种直接带隙的无机半导体材料，具有较大的激子结合能(60mev)和宽带隙(3.37ev)，因而能够吸收紫外光，对可见光不吸收，具有光电特性优异、价格低廉、环境友好等优势，很适合作为紫外光电探测器的光敏半导体。然而，氧化锌纳米颗粒在液相制备工艺中难以分散，由氧化锌纳米颗粒组装的薄膜结构松散，不利于光生载流子的传输，导致光电流较小，极大地限制了光电探测器的响应度与开关比。通常需要高温退火来克服这一缺点，而高温退火工艺不仅能耗大，也与聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等常见的柔性基底不兼容。如何利用低温工艺制备高性能柔性紫外光电探测器成为本领域的研究难点。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于氧化锌/聚乙二醇膏状材料的纸基柔性紫外光电探测器及其制备方法，通过引入聚乙二醇极大地改善了氧化锌颗粒的成膜性能，促进了光生载流子的传输，使柔性探测器获得了大的响应度和超高开关比。该方法操作简便，成本低廉，加工条件温和，且所制备的柔性器件性能优异。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于氧化锌/聚乙二醇膏状材料的纸基柔性紫外光电探测器，以纸张作为基底，丝网印刷的导电油墨作为电极，所述导电油墨的沟道中涂覆有zno/peg薄膜且所述zno/peg薄膜将沟道两侧的电极连接。
7.所述zno/peg薄膜为膏状复合材料。
8.一种基于氧化锌/聚乙二醇膏状材料的纸基柔性紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤；
9.步骤1，在普通纸张上通过丝网印刷制备一对沟道间距较小(优选地，沟道间距为1毫米)的油墨电极并检测导电性能；
10.步骤2，将zno/peg与乙醇溶液混合制备zno/peg前驱体；
11.步骤3，将zno/peg前驱体涂覆在油墨电极沟道中，并保证zno/peg前驱体覆盖两侧油墨电极，确保电学连通，得到样品；
12.步骤4，将步骤3所得样品在加热板上干燥，自然降温到室温后取出，即得到膏状
zno/peg薄膜纸基紫外光电探测器件。
13.所述步骤1的具体操作为：1)根据所需电极结构定制丝网印版，2)调配油墨分散液，3)将普通纸张作为承印物固定，4)进行丝网印刷，5)检测油墨电极导电性能。
14.所述步骤1中油墨电极选用碳电极、铜电极、银电极等导电材料。
15.所述油墨电极的沟道间距为0.5至2毫米。
16.所述步骤2具体操作为：
17.将乙醇与去离子水进行混合，在乙醇/去离子水混合溶剂中加入peg后进行超声，使得peg充分混合，称取zno纳米粉末加入混合溶液，超声后使得zno/peg分散均匀，获得前驱体。
18.zno/peg分散液溶剂是由乙醇和去离子水按照体积比2:3调配而成，加入质量比为2:5的zno:peg，即得到前驱体分散液。
19.所述聚乙二醇(peg)的分子量为peg200～peg2000。
20.所述zno/peg前驱体使用前需均质处理(例如超声振荡等)。
21.所述步骤4的具体操作为：将步骤3中的样品通过70-200℃加热烘干以形成复合薄膜。
22.本发明的有益效果：
23.1、本发明制备工艺简单、条件温和，该探测器的制备不需要昂贵的仪器设施和高温退火，可以在纸张和塑料等不耐高温的基底上制备柔性器件。
24.2、本发明所制备的膏状材料紫外光电探测器具有优异的性能，不仅具有超高的光/暗电流比，而且其响应度达到了1.7a/w，显示出比传统柔性光电探测器显著提升的性能。
25.3、本发明所使用的原料均为环境友好、成本低廉的材料，其中zno与peg绿色无毒，在常见的大多数化妆品防晒霜中为主要成分，因此有望应用于可穿戴电子设备等领域。
附图说明
26.图1为本发明所制备的纸基紫外光电探测器结构示意图。
27.图2为复合材料中zno的紫外吸收光谱图。
28.图3为本发明所制备纸基光电探测器光电响应曲线图。
29.图4为光电探测器在不同光强下响应度和光电流的关系图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
31.附图1为本发明所述的基于zno/peg膏状材料的纸基紫外光电探测器结构示意图，其中，普通纸张、油墨电极以及zno/peg膏状材料作为器件的主要部分。
32.实施例1
33.(1)制备电极
34.固定丝网印版，将普通纸张作为丝网印刷承印物，利用碳基导电油墨在承印物基底上丝网印刷沟道间距为1mm的电极，对印刷好的普通纸张电极进行裁剪，并检测其导电性能，得到单个纸基电极。
35.(2)制备zno/peg前驱体
36.在干净的容器中加入1.2ml无水乙醇和1.8ml去离子水，振荡均匀后加入0.1g peg200，超声10min后称取0.25g zno加入溶液，超声20min即得到zno/peg前驱体。
37.(3)制备zno/peg薄膜
38.将(2)中前驱体取4μl涂覆于两电极之间的1mm电极沟道上，使其将沟道与两侧油墨电极构成连接。于100℃加热板上烘干30分钟，在电极间形成膏状薄膜后即得到紫外光电探测器。
39.图2为本发明所使用zno纳米颗粒的紫外光谱吸收曲线，由图可知，zno只对波长小于400nm的紫外光有强吸收，因此本发明实施例中选用波长为360nm的紫外激光器作为测试光源。
40.图3为本发明所制备的紫外光电探测器光电响应曲线，测试条件：波长为360nm，光照强度为5.8μw，3v固定偏置电压。由图可见，探测器光电流达到3.26μa，电流开关比超过105，是目前纸基光电探测器领域最高电流开关比之一。
41.图4为本发明所制备紫外光电探测器在3v的固定偏置电压下，响应度、光电流与光照强度之间的关系。在5.8μw光照强度下，本发明所制备的紫外光电探测器达到1.7a/w的响应度，该数值优于以往纸基光电探测器。
42.实施例2
43.(1)制备电极
44.固定丝网印版，将普通纸张作为丝网印刷承印物，利用导电油墨在纸张基底上丝网印刷油墨电极，沟道间距为2mm，对印刷好的普通纸张电极进行裁剪并检测导电性能。
45.(2)制备zno/peg前驱体
46.在干净的容器中加入1.2ml无水乙醇和1.8ml去离子水，振荡均匀后加入0.1g peg600，超声10min后称取0.25g zno纳米粉末加入混合液，超声30min即得到zno/peg前驱体。
47.(3)制备zno/peg薄膜
48.将(2)中前驱体量取6μl涂覆于两电极之间的电极沟道上，使其将沟道与两侧油墨电极构成连接。在70℃加热板烘干1小时，在电极间形成膏状薄膜后即得到紫外光电探测器。
49.实施例3
50.(1)制备电极
51.固定丝网印版，将普通纸张作为丝网印刷承印物，利用油墨在纸张基底上丝网印刷沟道为0.5mm的电极，对印刷好的普通纸张电极进行裁剪并检测油墨电极导电性能。
52.(2)制备zno/peg前驱体
53.在干净的容器中加入1.2ml无水乙醇和1.8ml去离子水，振荡均匀后加入0.1g peg2000，超声20min后称取0.25g zno纳米粉末加入溶液，超声40min即得到zno/peg前驱体分散液。
54.(3)制备zno/peg薄膜
55.将(2)中前驱体量取2μl涂覆于两电极之间的电极沟道上，使其将沟道与两侧油墨电极构成连接。在200℃加热板烘干10min，在电极间形成膏状薄膜后即得到紫外光电探测
器。
56.根据申请人大量实验证明，上述实施例根据不同需求还可以列举出更多，在本发明申请人的权利要求书中所提供的范围，均可以达到本发明的目的及所需要的探测器性能。
57.本发明所制备的探测器，以氧化锌与聚乙二醇的复合膏状材料作为光敏层，并负载在柔性基底上，大多数涂覆薄膜的方法都适用于本发明中光电探测器的制备，其更具有成本低廉，环境友好，适合于批量生产等优势。
58.聚乙二醇(peg)作为一种非离子表面活性剂，在化妆品行业已经广泛使用，特别是在防晒霜的成分中，peg及其衍生物通常作为乳化剂或表面活性剂等与无机防晒剂zno进行组合，使得产品对紫外线的吸收更加优异，并且具备优异的成膜性能，易于涂覆在物体表面。另一方面，与传统柔性基底相比，纸基电极成本低廉、环境友好，并且具有成熟的印刷工艺，是一种很有前景的基底材料，可以用于制备柔性光电探测器。
59.本发明的光敏材料具有两方面显著优势：一是zno/peg为特殊膏状，能快速形成均匀薄膜，确保器件电学连通性；二是zno/peg具有强烈的紫外线吸收性能，能够高效地进行光电转换。因此，基于本发明制备的光电探测器具有大的响应度和超高电流开关比，显示出比传统纸基光电探测器的明显改进。此外，本发明的制备方法具有绿色环保、工艺简单、成本低廉、性能优良及易于批量生产的优点，在光电探测器领域具有广阔应用前景。