一种非制冷硒化铅近红外探测器制备方法

1.本发明属于红外探测器制备技术领域，尤其涉及一种非制冷硒化铅近红外探测器制备方法。


背景技术：

2.硒化铅(pbse)体材料具有较小的禁带宽度(0.28ev)和较大的激子波尔半径(46nm)。由于量子限域带来的尺寸效应，pbse纳米材料带隙能够实现800-4000nm范围内的调谐，并且pbse纳米材料具有宽吸收峰，量子产率高，是一种理想的近红外光敏材料。
3.近红外探光电探测器在军事和国民经济中有着广泛的应用，如近红外探光电探测器应用于航天航空侦察、成像制导追踪、设备故障诊断和红外测温等领域。
4.红外探测器通常需要在制冷环境下进行检测工作，在实际操作过程中操作不便捷。而基于pbse纳米材料的近红外光电探测器具有较高的响应度、探测率和响应速度，且工作温度较高等优势。
5.但是基于pbse纳米材料制备薄膜时会存在薄膜表面密度低、吸收效率不高和制备探测器时涂抹不均匀等问题，使得以纳米材料作为原料制备探测器的性能低于预期理论值。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种非制冷硒化铅近红外探测器制备方法。
7.这种非制冷硒化铅近红外探测器制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1、制备pbse纳米材料：采用0.64～0.7g硒粉和8～10ml三正辛基膦反应制备得到topse；采用0.8～0.95g氧化铅、16～20ml1-十八烯和3.2～5ml油酸反应得到铅源；将topse注入铅源中，反应30～90s后得到尺寸均匀分布的pbse纳米材料；向topse和铅源反应后的溶液中加入含20～30ml乙醇的离心管中，进行离心提纯2～3次后，加入10～15ml正己烷混合得到含pbse纳米材料的正己烷溶液；
9.步骤2、准备基底：将石英片作为基底，依次采用去离子水、乙醇、异丙醇、乙醇和去离子水对石英片表面进行5～10min的超声波清洗，去除石英片表面杂质，并在氮气氛围下干燥备用；超声波清洗的流程能够去除基底表面杂质，便于硒化铅纳米材料附着；
10.步骤3、由于在油相环境下制备的pbse纳米晶表面包裹油酸基团(c
18h34
o2)，会影响载流子的传输，因此需要对球形pbse纳米晶颗粒的表面进行处理，替换pbse纳米晶颗粒量子点表面的油酸基团，短链分子1，2-乙二硫醇替换量子点表面梳状周期性的油酸基团，能增加载流子迁移率，增加pbse纳米晶探测器的光电响应；配置表面处理溶液：将20～25ml的乙腈和5～6ml的短链分子1，2-乙二硫醇(c2h6s2)混合，得到20～25mg/ml的1，2-乙二硫醇溶液；
11.步骤4、制备pbse近红外探测器薄膜：在氮气环境下，通过移液枪移取设定量的含
pbse纳米材料的正己烷溶液覆盖在石英片表面，在设定温度下采取低温加热的方式加热挥发有机溶剂；待石英片表面的正己烷挥发后，将石英片在1，2-乙二硫醇溶液中放置设定时长后取出，在石英片表面得到pbse薄膜；待pbse薄膜表面挥发干燥后，重复执行移取含pbse纳米材料的正己烷溶液至石英片表面、低温加热后放置于1，2-乙二硫醇溶液中的步骤，重复执行至设定次数，硒化铅纳米材料均匀分布在石英片表面，制备得到近红外探测器薄膜；在氮气中采用低温加热的方式能够保证纳米材料保持量子特性的同时能够均匀分布在石英片表面；
12.步骤5、采用真空镀膜法，在pbse近红外探测器薄膜表面蒸镀银叉指电极，蒸镀过程中，设置钨舟的蒸发电流为71～75a，反应时间为30～45min，保证银充分蒸镀在硒化铅薄膜表面。
13.作为优选，步骤1具体包括以下步骤：
14.步骤1.1、在氮气氛围中，将设定量的硒粉和三正辛基膦(top)加入三颈烧瓶中进行混合，硒粉和三正辛基膦在设定温度下反应设定时长后，得到topse；
15.步骤1.2、将设定量的氧化铅(pbo)、1-十八烯(ode)和油酸(oa)加入另一三颈烧瓶中进行混合，并在设定温度下反应设定时长，得到铅源；
16.步骤1.3、将topse通过热注入法注入铅源中，反应设定时长后，加入乙醇；将加入乙醇后的混合溶液中心对称放入离心机内，在7050～8000rpm的转速下离心8～10min，离心结束后，抽离上层澄清液体；重复注入铅源、加入乙醇和离心步骤设定次数后，最终加入设定量的正己烷，得到含pbse纳米材料的正己烷溶液。
17.作为优选，步骤1.3中含pbse纳米材料的正己烷溶液球中pbse纳米材料为球形pbse纳米晶颗粒；采用热注入法将topse注入铅源中，保证了探测器表面的硒化铅纳米材料能够尺寸分布均匀；使用正己烷溶液保存硒化铅纳米材料，保证了硒化铅纳米材料能够在溶液中均匀分散不发生团聚。
18.作为优选，步骤5中在pbse近红外探测器薄膜表面蒸镀银叉指电极，将银叉指电极通过导电银胶将细铜丝固定在电极两端并引出。
19.作为优选，步骤5中叉指电极将接收到的光信号转化为电信号，输出电信号，用于检测pbse近红外探测器薄膜在接收到外界红外辐射后的响应；叉指电极能一定程度上增加pbse近红外探测器的信噪比，提高信号的探测率。
20.本发明的有益效果是：
21.本发明提供一种非制冷近红外探测器制作方法；以氧化铅作为铅源，硒粉作为硒源，制备得到尺寸均匀分布的球形pbse纳米晶颗粒；以球形pbse纳米晶颗粒作为原料，通过在氮气氛围中低温加热的方式，得到厚度均一、保持量子特性的红外薄膜；采用叉指电极的方式将光信号转为电信号，制备得到近红外探测器；本发明的制备方法方便，成本较低，方便大规模生产，制备的红外探测器性能较好。
22.本发明采用热注入法将topse注入铅源中，保证了探测器表面的硒化铅纳米材料能够尺寸分布均匀；使用正己烷溶液保存硒化铅纳米材料，保证了硒化铅纳米材料能够在溶液中均匀分散不发生团聚；本发明采用超声波对石英片表面进行清洗，超声波清洗的流程能够去除基底表面杂质，便于硒化铅纳米材料附着；本发明采用短链分子1，2-乙二硫醇替换pbse纳米晶颗粒量子点表面梳状周期性的油酸基团，能增加载流子迁移率，增加pbse
纳米晶探测器的光电响应；本发明移取含pbse纳米材料的正己烷溶液至石英片表面、低温加热后放置于1，2-乙二硫醇溶液中；采用低温加热的方式能够保证纳米材料保持量子特性的同时能够均匀分布在石英片表面；本发明还在pbse纳米材料上设置叉指电极，叉指电极能一定程度上增加pbse近红外探测器的信噪比，提高信号的探测率。
23.本发明制备的近红外探测器在300k的反应温度下，探测器的响应峰值出现在2060nm，响应率r
λ
为272μa/w，噪声等效功率nep为4.99
×
10-7
w，探测器的归一化探测率d*为3.54
×
105cm
·
hz
1/2
·
w-1
。
附图说明
24.图1为本发明制备得到的尺寸分布均一的pbse球形纳米材料的显微镜照片；
25.图2为硒化铅红外探测器结构示意图；
26.图3为探测器响应率随波长变化的曲线图。
27.附图标记说明：叉指电极1、pbse纳米材料2、基底3。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
29.实施例一
30.本技术实施例一提供了一种非制冷硒化铅近红外探测器制备方法：
31.步骤1、制备pbse纳米材料：采用硒粉和三正辛基膦反应制备得到topse；采用氧化铅、1-十八烯和油酸反应得到铅源；将topse注入铅源中，加入乙醇反应离心后，加入正己烷混合得到含pbse纳米材料的正己烷溶液；
32.步骤2、准备基底：将石英片作为基底，依次采用去离子水、乙醇、异丙醇、乙醇和去离子水对石英片表面进行超声波清洗，并在氮气氛围下干燥备用；
33.步骤3、配置表面处理溶液：将设定量的乙腈和短链分子1，2-乙二硫醇混合，得到1，2-乙二硫醇溶液；
34.步骤4、制备pbse近红外探测器薄膜：在氮气环境下，通过移液枪移取设定量的含pbse纳米材料的正己烷溶液覆盖在石英片表面，在设定温度下采取低温加热的方式加热挥发有机溶剂；待石英片表面的正己烷挥发后，将石英片在1，2-乙二硫醇溶液中放置设定时长后取出，在石英片表面得到pbse薄膜；待pbse薄膜表面挥发干燥后，重复执行移取含pbse纳米材料的正己烷溶液至石英片表面、低温加热后放置于1，2-乙二硫醇溶液中的步骤，重复执行至设定次数，制备得到近红外探测器薄膜；
35.步骤5、采用真空镀膜法，在pbse近红外探测器薄膜表面蒸镀叉指电极。
36.实施例二
37.在实施例一的基础上，本技术实施例二提供了实施例一中制备方法的具体应用：
38.(1)制备硒化铅纳米材料：在氮气氛围中，0.64g(8mmol)硒粉(se)、8ml(18.3mmol)三正辛基膦(top)在90℃反应温度下，在三颈烧瓶中反应1h后制备得到topse。0.89g(4mmol)氧化铅(pbo)、16ml的1-十八烯(ode)和3.2ml的油酸(oa)在150℃反应温度下，在三
颈烧瓶中反应30min。将topse注入铅源中，在反应60s时，加入大量正己烷对反应溶液进行淬灭降温。在离心管中倒入反应溶液，并加入乙醇，中心对称放入离心机内。转速设置为7050min/r，时间10min。离心结束后，抽离上层澄清液体，此过程重复3次进行提纯。加入3ml正己烷得到含硒化铅纳米材料的正己烷溶液。制备得到如图1所示硒化铅纳米材料；图1中为平均直径为8.3nm的球形硒化铅纳米颗粒，对应的吸收峰出现在2060nm附近；
39.(2)准备基底：探测器以尺寸为φ12mm石英片作为基底，依次通过去离子水、乙醇、异丙醇、乙醇、去离子水对石英玻璃表面进行超声波清洗，每次超声波清洗时间为5min，用于去除基底表面杂质，并在氮气氛围下干燥备用。
40.(3)配置表面处理溶液：由于在油相环境下制备的pbse纳米晶表面包裹油酸基团(c
18h34
o2)，会影响载流子的传输，因此需要对pbse纳米晶的表面进行处理，通过短链分子1，2-乙二硫醇替换量子点表面的油酸基团增加载流子迁移率，增加pbse纳米晶探测器的光电响应。通过20ml的乙腈，5ml的1，2-乙二硫醇(c2h6s2)，配置22mg/ml的1，2-乙二硫醇溶液备用。
41.(4)薄膜制备：如图2所示，在氮气环境下，通过移液枪取50μl含量子点的正己烷溶液覆盖石英片表面，采用90℃低温加热的方式加热挥发有机溶剂，待石英表面的正己烷挥发后，放置于1，2-乙二硫醇和乙腈的混合溶液5s取出，待薄膜表面挥发干燥后，继续上步骤重复20次。硒化铅纳米材料均匀分布在石英片表面，制备得到红外探测器薄膜。
42.(5)制备电极：为了检测pbse薄膜在接收到外界红外辐射后的响应，需要在pbse表面增加电极将接收到的光信号转化为电信号输出进行检测，检测结果如图3所示，图3中探测器归一化探测率d*的曲线显示响应峰值出现在2060nm，响应率r
λ
为272μa/w，探测器的归一化探测率d*为3.54
×
105cm
·
hz
1/2
·
w-1
。本发明采用真空镀膜法，在pbse薄膜表面蒸镀银叉指电极，叉指电极通过梳状周期性的电极能一定程度上增加探测器的信噪比，提高信号的探测率。