一种日盲型紫外光电探测器及其制备方法与流程

1.本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种日盲型紫外光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.随着电子信息以及光电探测技术的发展，深紫外(uv)光电探测器(pd)已经成为国内外研究的热点。在光谱中，10～400nm的光被称为紫外光，其中200-280nm波段为深紫外区间(uvc)。尽管在深紫外辐射下可以杀死细菌和病毒，但是对于任何一种生命体来说，深紫外光都具有高度破坏性，它会使生命体的基因发生突变，对人类来说是致癌物质，同时，深紫外辐射对于皮肤和眼睛都具有破坏性的影响。得益于臭氧层对深紫外光的吸收，到达地球表面的自然光几乎没有200-280nm的紫外光，所以这个区间又被称之为“日盲区”，也就是说日盲区间的光电探测器放置在太阳光下几乎没有任何响应。基于此，日盲型光电探测器对于深紫外光源的响应几乎不受外界的干扰，在导弹跟踪、火焰检测、电晕检测和臭氧层空洞检测等领域中都具有良好的应用前景。其中，导弹的尾焰可以被日盲型光电探测器检测到，从而达到导弹跟踪的目的。众所周知，火灾发生的初级阶段，燃烧在空气中发生并产生肉眼完全看不见的火焰，而日盲紫外光电探测器就具有可以轻松的探测到这种“看不见的”的火焰的能力，因此可以提前预警从而避免重大灾难的发生。此外，在电力系统中，由于高压产生的电晕放电可以被紫外探测器检测出来，利用紫外探测可以进行故障识别和故障预警，从而大大地提高了电力系统运行的安全性。因此，自从日盲型紫外探测技术被提出以来，由于其灵敏度高、抗干扰能力强且在军事、航天、医疗、电力以及家用等方面有诸多应用而倍受关注。
3.由于氧化镓具有类似于其它宽禁带宽度材料(如zno和aln)的结构，常被用于制备氧化镓光电探测器。但目前的氧化镓光电探测器经常需要额外在电子传输层上制备电极，往往采取蒸镀或者磁控溅射的方式制备叉指电极，该步骤繁琐且成本昂贵；针对现有氧化镓光电探测器存在的问题有必要对此进行改进。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种日盲型紫外光电探测器及其制备方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
5.第一方面，本发明提供了一种日盲型紫外光电探测器，包括：
6.导电基底，其上开设有沟道；
7.in掺杂的ga2o3纳米柱阵列，其位于所述沟道上。
8.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器，所述导电基底为fto导电玻璃。
9.第二方面，本发明还提供了一种所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.提供导电基底；
11.配制含镓、含铟前驱体溶液；
12.将导电基底位于沟道之外的部分进行遮挡，然后将导电基底置于含镓、含铟前驱体溶液中，进行水热反应，即在导电基底的沟道上制备得到in掺杂的ga2o3纳米柱阵列。
13.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，配制含镓、含铟前驱体溶液具体为：将镓盐、铟盐加入至水中混合均匀后即得含镓、含铟前驱体溶液。
14.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，镓盐、铟盐与水的质量体积比为(0.3～0.7)g:(0.01～0.07)g:(30～70)ml。
15.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，水热反应温度为130～170℃、反应时间为2～12h。
16.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，将导电基底置于含镓、含铟前驱体溶液中进行水热反应之前还包括：将导电基底置于紫外臭氧仪下照射40～50min。
17.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，进行水热反应后还包括将制备有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的导电基底置于400～550℃下退火2～4h，即得日盲型紫外光电探测器。
18.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，将制备有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的导电基底以4～6℃/min升温至400～550℃下退火2～4h，然后以4～6℃/min降温至室温，即得日盲型紫外光电探测器。
19.优选的是，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，所述镓盐包括硝酸镓、铟盐为硝酸铟。
20.本发明的一种日盲型紫外光电探测器及方法相对于现有技术具有以下有益效果：
21.本发明的日盲型紫外光电探测器，导电基底为自带沟道的导电基底，因而在导电基底的沟道两侧自然形成电极，而且目前大多数器件都需要额外制作电极，不仅增加了实验步骤还大大增加了实验成本，本发明采用自带沟道的导电基底不需要额外制备电极，大大简化了实验步骤和实验成本；同时本技术采用in掺杂的ga2o3纳米柱阵列，使得日盲型紫外光电探测器器件具有更低的暗电流，在低光强下仍具有较高的开关比。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的日盲型紫外光电探测器的结构示意图；
24.图2为本发明的导电基底的结构示意图；
25.图3为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列在沟道表面的高倍sem图；
26.图4为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的元素分布图；
27.图5为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的元素含量；
28.图6为本发明实施例1～5中制备得到的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列以及ga2o3的xrd图谱；
29.图7为本发明实施例1和对比例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器在未加254nm的紫外光和外加70μw/cm2的光强254nm的紫外光下的i-v特性曲线对比图；
30.图8为本发明实施例1～5中以及对比例1制备得到的日盲型紫外光电探测器在未加254nm的紫外光和外加70μw/cm2的光强254nm的紫外光下的1v电压下的光暗电流特性曲线对比图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
32.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器，如图1～2所示，包括：
33.导电基底1，其上开设有沟道11；
34.in掺杂的ga2o3纳米柱阵列2，其位于沟道11上。
35.在一些实施例中，导电基底1为fto导电玻璃。
36.需要说明的是，本技术的日盲型紫外光电探测器，包括导电基底1、in掺杂的ga2o3纳米柱阵列2，其中，导电基底1上开设有沟道11，这里的沟道类似凹槽，in掺杂的ga2o3纳米柱阵列2位于沟道上；具体的，该导电基底1为从市场上购买的自带沟道11的fto导电玻璃，沟道11宽度约为70μm，由于fto导电玻璃本身导电，因而在fto导电玻璃的沟道两侧自然形成电极，而且目前大多数器件都需要额外制作电极，不仅增加了实验步骤还大大增加了实验成本，本发明采用fto导电玻璃，大大简化了实验步骤和实验成本。同时本技术采用in掺杂的ga2o3纳米柱阵列2，使得日盲型紫外光电探测器器件具有更低的暗电流，在低光强下仍具有较高的开关比。
37.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种上述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
38.s1、提供导电基底；
39.s2、配制含镓、含铟前驱体溶液；
40.s3、将导电基底位于沟道之外的部分进行遮挡，然后将导电基底置于含镓、含铟前驱体溶液中，进行水热反应，即在导电基底的沟道上制备得到in掺杂的ga2o3纳米柱阵列。
41.需要说明的是，本技术实施例中日盲型紫外光电探测器的制备方法，将导电基底位于沟道之外的部分进行遮挡，具体的，可在导电基底位于沟道之外的地方贴上耐高温胶带，这样在后续的水热反应过程中，只有沟道上生长in掺杂的ga2o3纳米柱阵列，而在导电基底上位于沟道以外的地方则不生长in掺杂的ga2o3纳米柱阵列。本技术的日盲型紫外光电探测器的主要连接关系为fto电极-igo纳米柱(即in掺杂的ga2o3纳米柱阵列)-fto电极。
42.在一些实施例中，将导电基底置于含镓、含铟前驱体溶液中，进行水热反应之前还包括将导电基底分别使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声处理20min，以清除导电基底上的杂质。
43.在一些实施例中，水热反应在反应釜中进行，具体的，将前驱体置于反应釜中之前，将反应釜使用王水进行清洗后，再使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声处理，每个超声处理过程均20～30min，以清除反应釜内的杂质。
44.在一些实施例中，配制含镓、含铟前驱体溶液具体为：将镓盐、铟盐加入至水中混合均匀后即得含镓、含铟前驱体溶液。
45.在一些实施例中，镓盐、铟盐与水的质量体积比为(0.3～0.7)g:(0.01～0.07)g:(30～70)ml。
46.具体的，镓盐为硝酸镓、铟盐为硝酸铟，将0.5g硝酸镓、0.012g硝酸铟溶于50ml水中，搅拌混合均匀后即得含镓、含铟前驱体溶液。其中硝酸铟的含量还可以进一步进行调整以获得不同浓度梯度的掺杂，除去上述的0.012g外，还进行了0.024g、0.035g、0.047g和0.059g硝酸铟的添加。
47.在一些实施例中，水热反应温度为130～170℃、反应时间为2～12h。
48.在一些实施例中，将导电基底置于含镓、含铟前驱体溶液中进行水热反应之前还包括：将导电基底置于紫外臭氧仪下照射40～50min。使用紫外臭氧仪(psd-uv4)照射的目的是，改善导电基底表面的功函数，使其羟基化，有助于水热反应时提升接触面之间的亲水性，并能防止表面出现裂纹与分布不均。
49.在一些实施例中，进行水热反应后还包括将制备有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的导电基底置于400～550℃下退火2～4h，即得日盲型紫外光电探测器。
50.在一些实施例中，所述的日盲型紫外光电探测器的制备方法，将制备有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的导电基底以4～6℃/min升温至400～550℃下退火2～4h，然后以4～6℃/min降温至室温，即得日盲型紫外光电探测器。
51.具体的，水热反应完成后会在导电基底的正面和背面都会留下残留的前驱体溶液以及杂质，所以需要反复冲洗正反两面，将其冲洗干净后再次使用恒温干燥台在空气中用80℃干燥10min，然后再进行退火。
52.以下进一步以具体实施例的说明本技术的日盲型紫外光电探测器的制备方法，以下实施例中自带沟道的fto导电玻璃从市场上购买得到，沟道宽度约为70μm。
53.实施例1
54.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
55.s1、提供一自带沟道的fto导电玻璃，其中，fto导电玻璃的长宽高分别为20mm、20mm、2mm；将fto导电玻璃分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗20min，备用；
56.s2、将0.5g的硝酸镓、0.012g硝酸铟加入至50ml去离子水中搅拌均匀后得到含镓、含铟前驱体溶液；
57.s3、将fto导电玻璃位于沟道以外的地方贴上耐高温胶带进行遮挡，然后使用紫外臭氧仪(psd-uv4)对fto导电玻璃照射45min，然后将fto导电玻璃置于含镓、含铟前驱体溶液中，于150℃下反应2h，即在fto导电玻璃的沟道上制备得到in掺杂的ga2o3纳米柱阵列；
58.s4、去除耐高温胶带，然后将生长有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的fto导电玻璃使用清水清洗，再于80℃下干燥10min；
59.s5、将生长有in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的fto导电玻璃置于退火炉中，由室温以5℃/min升温至550℃并保温2h，然后以5℃/min降温至室温，完成退火，即得日盲型紫外光电
探测器。
60.实施例2
61.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤s2中加入0.024g硝酸铟，其余工艺均与实施例1相同。
62.实施例3
63.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤s2中加入0.035g硝酸铟，其余工艺均与实施例1相同。
64.实施例4
65.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤s2中加入0.047g硝酸铟，其余工艺均与实施例1相同。
66.实施例5
67.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤s2中加入0.059g硝酸铟，其余工艺均与实施例1相同。
68.对比例1
69.本技术实施例提供了一种日盲型紫外光电探测器的制备方法，同实施例1，不同在于，步骤s2中不加入硝酸铟，其余工艺均与实施例1相同。
70.性能测试
71.图3为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列在沟道表面的高倍sem图。从图3中可以看出，in掺杂的ga2o3纳米柱阵列生长的十分均匀且致密。
72.图4为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的元素分布图；图5为本发明实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列的元素含量。从图4～5中，ga原子与in原子含量说明在氧化镓纳米柱阵列中成功的掺杂了in元素。
73.图6为实施例1～5中制备得到的in掺杂的ga2o3纳米柱阵列以及ga2o3的xrd图谱。其中，图5中2％对应实施例1、4％对应实施例2、6％对应实施例3、8％对应实施例4、10％对应实施例5，igo即为in掺杂的ga2o3纳米柱阵列。
74.对照xrd标准卡(jcpds pdf#06-0503，pdf#71-1106)，在33.8
°
、36.0
°
、64.8
°
位置处的三个衍射峰分别对应于α-ga2o3的(104)、(110)、(300)晶面。在54.7
°
和78.4
°
分别对应igo的(131)、(221)晶面。
75.图7为实施例1和对比例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器在未加254nm的紫外光和外加70μw/cm2的光强254nm的紫外光下的i-v特性曲线对比图。具体测试方法为：将实施例1以及对比例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器分别放置在探针台上，用探针分别连接沟道两边的电极，然后添加-5v到5v的偏压，以70μw/cm2的光强254nm的紫外光对沟道进行照射。
76.图7中ga2o
3 light表示对比例1中日盲型紫外光电探测器加254nm的紫外光照射，igo light表示实施例1中日盲型紫外光电探测器加254nm的紫外光照射，ga2o
3 dark表示对比例1中日盲型紫外光电探测器未加254nm的紫外光照射，igo dark表示实施例1中日盲型紫外光电探测器未加254nm的紫外光照射。
77.从图7中可以看出，实施例1中制备得到的日盲型紫外光电探测器在掺杂in后的暗电流明显降低了，从10na级别下降到了100pa级别，下降了两个数量级。
78.图8为实施例1～5中以及对比例1制备得到的日盲型紫外光电探测器在未加254nm的紫外光和外加70μw/cm2的光强254nm的紫外光下的1v电压下的光暗电流特性曲线对比图，测试方法同上。图8中2％对应实施例1、4％对应实施例2、6％对应实施例3、8％对应实施例4、10％对应实施例5、0％对应对比例1。图7中上方为光电流、下方为暗电流。
79.从图8中可以看出，in掺杂的日盲型紫外光电探测器具有更低的暗电流和更高的光电流，in掺杂的日盲型紫外光电探测器和未掺杂in的日盲型紫外光电探测器对比具有更高的开关比，而较低的暗电流和较高的开关比是日盲紫外光电探测器的性能优良的有利证明，in掺杂的日盲型紫外光电探测器明显具有更加优异的紫外探测性能。
80.上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。