一种基于4H-SiC纳米线阵列的双模探测器及其制备方法

本发明属于半导体光电器件与电磁传感，涉及一种基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器及其制备方法。

背景技术：

1、随着智能电网与高压电力设备的快速发展，局部放电、电弧放电及绝缘老化等早期故障的在线监测已成为保障电力系统安全运行的关键技术手段。电弧放电过程同时产生日盲紫外辐射与宽带瞬态电磁脉冲，对两类信号进行实时联合探测，有助于提升故障检测的准确性与可靠性。

2、当前，日盲紫外探测器多基于4h-sic等宽禁带半导体材料，该类材料具备禁带宽度大、耐高温、抗辐照及化学稳定性优异等特点，可实现高灵敏度紫外探测。然而，紫外探测易受设备外壳、隔板等遮挡物影响，在封闭式电力设备中检测性能显著下降。相较而言，电磁脉冲具备一定的介质穿透能力，展现出良好的非视距探测优势。但现有电磁探测器通常无法同时实现紫外探测功能，致使当前系统多采用紫外探测器与电磁传感器分立设计，存在结构复杂、体积偏大、功耗较高及集成度不足等问题。

3、因此，亟需开发一种兼具日盲紫外探测与瞬态电磁脉冲探测能力、结构简洁、集成度高，并能根据环境条件实现工作模式自适应切换的新型双模探测器，以满足复杂电力场景下电弧故障在线监测与智能预警的应用需求。

技术实现思路

1、针对上述技术问题与缺陷，本发明提供了一种基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器及其制备方法。本发明通过构建光电探测与电磁探测协同工作的异质结构，实现无遮挡环境下的日盲紫外探测以及遮挡环境下的瞬态电磁脉冲探测，从而提高电弧故障检测的可靠性和环境适应能力。

2、第一方面，本发明提供了一种基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器，所述双模探测器设置有ito透明导电玻璃衬底，和依次设置在ito透明导电玻璃衬底上的pedot空穴传输层、

4h-sic纳米线阵列、黑磷薄膜、银电极。

3、具体地，所述有ito透明导电玻璃衬底，用于作为双模探测器底电极及紫外光入射窗口；所述空穴传输层与

4h-sic纳米线阵列形成异质结；所述

4h-sic纳米线阵列垂直排列于空穴传输层表面，作为日盲紫外光吸收层；所述黑磷功能层覆盖于

4h-sic纳米线阵列表面，并与顶电极形成非线性整流界面；所述顶电极优选为银电极，用于收集载流子并构成电磁波耦合结构。

4、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器中，所述

4h-sic纳米线阵列中

4h-sic纳米线阵列的2~6μm，直径为50~200nm；

5、所述黑磷薄膜的厚度为50~300nm。

6、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器中，所述pedot空穴传输层的厚度为50~300nm；

7、所述银电极的厚度为80~150nm。

8、第二方面，本发明提供了一种基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法，包括：清洗n型

4h-sic单晶片，得到预处理后的

4h-sic单晶片；采用电化学腐蚀法刻蚀预处理后的

4h-sic单晶片，得到

4h-sic纳米线阵列；通过真空抽滤法抽滤黑磷溶液，得到黑磷薄膜；将涂覆有pedot:pss的ito透明导电玻璃衬底进行紫外臭氧处理，将

4h-sic纳米线阵列转移至pedot:pss的表面，热压处理后，将黑磷薄膜转移并覆盖于

4h-sic纳米线阵列上，采用丙酮溶膜，真空退火后，热蒸发沉积银电极，得到双模探测器。

9、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法中，所述电化学腐蚀法包括：以石墨板为阴极，以hf、c2h5oh和h2o2的混合液为电解液，采用脉冲恒流进行刻蚀。

10、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法中，所述hf、c2h5oh和h2o2的体积比为3:6:1；

11、所述脉冲恒流的电流为0.1~0.2a、脉冲宽为3~8s，间隔为3~8s；

12、所述刻蚀的时间为20~30min。

13、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法中，所述黑磷溶液的质量浓度为5~10mg/ml。

14、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法中，所述热压处理的温度为150~200℃，压力为0.1~3mpa，时间为20~40min。

15、进一步地，在本发明提供的基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器的制备方法中，所述真空退火的温度为200~250℃，时间为2~3h。

16、第三方面，本发明提供了基于

4h-sic纳米线阵列的双模探测器在电弧故障预警、电力设备电弧监测中的应用。

17、与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具备下述的有益效果或优点：

18、（1）本发明通过构建

4h-sic纳米线阵列与黑磷功能层组成的异质结构，在同一器件中集成了日盲紫外探测与瞬态电磁脉冲探测两种功能，避免了传统紫外探测器和电磁传感器分立设计所带来的结构复杂、体积较大及系统集成度低等问题。

19、（2）本发明利用pedot:pss与

4h-sic纳米线阵列形成的异质结内建电场，实现光生载流子的快速分离与高效输运；同时，

4h-sic纳米线阵列具有较大的比表面积和良好的光陷阱效应，可有效增强紫外光吸收，提高器件的光响应能力和探测灵敏度。

20、（3）本发明利用黑磷材料优异的宽带电磁响应特性以及黑磷/金属界面的非线性整流效应，实现了宽频瞬态电磁脉冲信号的高效接收与转换，使器件在纸板、塑料板及封闭式电力设备等光学遮挡环境下仍能够稳定探测电弧放电产生的电磁信号，显著提高了复杂环境下的检测可靠性。

21、（4）本发明无需机械切换装置或额外控制电路，即可根据外界光学环境自动实现紫外探测模式与电磁脉冲探测模式之间的自适应切换，降低了系统功耗，提高了器件的智能化水平和环境适应能力。

22、（5）本发明采用电化学刻蚀、真空抽滤、热压结合、真空退火及热蒸发沉积等成熟工艺制备器件，各工艺步骤简单、重复性好，与现有半导体微纳加工工艺兼容性高，适于实现器件的大面积制备及工程化应用，具有良好的产业化前景。