[发明专利]用于紫外探测的纳米晶薄膜器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于紫外探测的纳米晶薄膜器件的制备方法，尤其是用溶液工艺制备用于紫外探测的纳米晶薄膜器件的方法。

背景技术

紫外探测器指探测紫外光，即波长在400到10nm之间的电磁波的存在和强度的器件。紫外光在自然界和生产生活中广泛存在，与许多物质都有相互作用。从弱光源条件下的火灾报警，到航空遥感监测空气污染和高能物理研究中的空间探测；从有机聚合物的光致改性，到水源或空气的净化消毒和医学上的细胞检测、疾病诊断；从卫星紫外通讯，到军事上的光电对抗和红外/紫外双波段制导，紫外光都倍受青睐。作为一种在科研、军事、太空、环保、医学和许多工业领域均有广泛用途的探测技术，人们对紫外探测技术和器件的需求日益增长。

当前一种主流的紫外探测器是基于半导体的光电导现象，即半导体吸收能量大于其带隙宽度的光子后，将电子从禁带激发到导带，增加了半导体的载流子浓度，从而增大了半导体的电导率。现在国际上光电导型的紫外探测器主要有硅基增强型紫外探测器和宽禁带半导体(GaN、SiC、ZnO、金刚石等)紫外探测器。它们都是基于传统气相高温晶体生长的半导体薄膜制备技术，需要复杂的薄膜制备真空设备和晶格匹配的单晶衬底，因而存在工艺复杂、成本昂贵、无法制备大面积器件等缺点。例如，生长高质量的ZnO薄膜需要昂贵的蓝宝石或ZnO单晶衬底，这极大地提高了器件成本，限制了ZnO基紫外探测器的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于紫外探测的纳米晶薄膜器件的制备方法，以简化工艺，降低成本，制备可弯曲的“柔性”器件，推动紫外探测光电器件的广泛应用。

本发明的用于紫外探测的纳米晶薄膜器件的制备方法，包括以下步骤：

1)将可溶性半导体纳米晶材料溶于溶剂，配制质量浓度为2-200mg/ml的纳米晶溶液；

2)采用旋涂法或喷墨打印法将纳米晶溶液加工在衬底上，形成均匀的纳米晶薄膜；

3)将纳米晶薄膜在100-350℃温度下退火处理10-60分钟，然后在纳米晶薄膜上蒸镀电极。

本发明中，所说的半导体纳米晶材料可以是半导体纳米晶材料是ZnO纳米晶、掺Mg的ZnO纳米晶、或掺Al的ZnO纳米晶。

所说的溶剂可以是氯仿、苯、四氢呋喃或氯苯。

所说的衬底可以采用Si、SiO₂/Si、玻璃、ITO玻璃、石英等无机衬底，或采用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等塑料衬底。

所说的电极可以是Au、Ag、Al、Cu、In、Cr或ITO，通常，选取电极的厚度为30-200nm。

本发明中，纳米晶薄膜的厚度一般在0.01-100μm。

本发明的有益效果在于：

1.采用旋涂法或喷墨打印手段将半导体纳米晶溶液直接加工在衬底上，与传统气相高温生长半导体薄膜紫外探测器相比，本发明无需真空设备，成膜温度低、制备工艺简单，因而具有在大规模生产中的成本优势；对衬底无严格要求，可选择无机衬底，制备大面积的器件。或者选择塑料衬底，制备可弯曲的“柔性”器件。本发明有利于大幅度降低紫外探测光电器件的成本，可开发大尺寸器件/可弯曲的“柔性器件”。

2.由于纳米晶相对体材料具有超大的比表面积，在ZnO基纳米晶薄膜中载流子的传导主要由空气中的氧气或水分子在纳米晶表面吸附所带来的表面态变化所控制。具体即在暗处，气体分子和本征n型ZnO中的自由电子结合，在晶体表面束缚了大量自由电子[O₂(气体)+e^-(电子)→O₂^-(被吸附的分子)]，阻止电极向薄膜的载流子注入，抑制了暗电流。而在紫外光激发下产生光生载流子，其中光生空穴抵消了晶体表面束缚电子的影响，使气体分子从晶体表面脱附[h⁺(空穴)+O₂^-(被吸附的分子)→O₂(气体)]；同时光生电子则可以在器件中传导，形成光电流。由于纳米晶所具有的超大比表面积，这种吸附/脱附过程被急剧放大，从而使器件具有暗电流低，灵敏度高等特点。

附图说明

图1是用于紫外探测的ZnO纳米晶薄膜器件的测试结果，其中，图a)中虚线为光电流、实线为暗电流，外加紫外光强度为0.83mW/cm²；图b)为光电流-370nm激发光强度对应谱(120V偏压)；图c)为光电流-时间分辨谱，激发光为25.5秒的370nm紫外光脉冲(120V偏压)。