[发明专利]基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器

说明书

本发明提供了一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，旨在利用纳米管复合结构所具有的优越性能，开发研制一种结构简单、制作方便、具有自驱动和宽波段响应特点的光电探测器，该光电探测器不需要外接电压即可工作，光谱响应范围覆盖从可见光到中红外的超宽波段。其包括自下而上依次层叠设置的金属基底、电子传输层、半透明光电转换层；其中，金属基底作为光电探测器的下电极；半透明光电转换层作为光电探测器的上电极，采用碳纳米管薄膜；电子传输层采用二氧化钛纳米管阵列；所述上电极依次通过上电极引线、电信号检测设备以及下电极引线与下电极构成回路；且上电极与上电极引线连接的区域下方设置有绝缘层。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器。

背景技术

光电探测器是一种可以将特定波长范围的光信号转变成电信号的设备，已广泛应用于光通信、工业生产、环境监测和卫生医疗等领域。人们对光电探测器的高灵敏、宽光谱、在室温工作、自驱动以及多维度光信息探测等方面的要求越来越高，传统的半导体光电材料如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等越来越不能满足人们的需求。因此，发展和探索基于新材料的光电探测器具有十分重要的意义。

纳米管具有中空结构、比表面积大、吸附能力强等优点，与其它一维纳米材料相比，对外界环境和外场更加敏感。因此，纳米管结构非常适合用于制备高灵敏、快响应光电探测器。二氧化钛纳米管可以通过简单的阳极氧化法制备得到，它是一种n型宽禁带半导体，带隙在3.0-3.2电子伏特之间，只对紫外光有响应。诸多文献报道可以通过结构设计和修饰使其对紫外光以外的波段也有响应，例如：[Wen-Tao Sun,Yuan Yu,Hua-Yong Pan,Xian-Feng Gao,Qing Chen,Lian-Mao Peng.《美国化学会志》Journal of the AmericanChemical Society,2008,130,1124-1125；Wonjoo Lee,Soon Hyung Kang,Sun Ki Min,Yung-Eun Sung,Sung-Hwan Han.《电化学通讯》Electrochemistry Communications,2008,10,1579-1582；Mingjie Yang,Jia-Lin Zhu,Wei Liu,Jia-Lin Sun.《纳米研究》NanoResearch,2011,4,901-907]。但是，由于现有的二氧化钛基光电探测器在实现宽波段的光检测和自驱动工作之间很难平衡。因此，设计和制作既能实现宽波段的光检测又无需外部电源即可自驱动工作的光电探测器，对推动二氧化钛基光电探测器的实际应用具有重要意义。

发明内容

针对现有的二氧化钛基光电探测器存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于纳米管复合结构的自驱动宽波段光电探测器，旨在利用纳米管复合结构所具有的优越性能，开发研制一种结构简单、制作方便、具有自驱动和宽波段响应特点的光电探测器，该光电探测器不需要外接电压即可工作，光谱响应范围覆盖从可见光到中红外的超宽波段。

本发明的构思：

碳纳米管具有一维纳米结构、很高的载流子迁移率、很强的激子效应。它的带隙较小，一般小于1.0电子伏特，可覆盖整个近红外波段，并且带隙随着纳米管直径的增大而减小。此外，研究表明在由多根碳纳米管聚集形成的“碳纳米管束”中，纳米管之间的相互作用会诱导出很小的“赝能隙”，使得碳纳米管可以吸收中、远红外光。这些优异的光学和电学性质使得碳纳米管成为理想的宽波段光电探测器材料。由于氧分子的吸附作用，碳纳米管的电学行为表现为p型。因此，本发明拟将p型碳纳米管和n型二氧化钛纳米管进行结合形成p-n结，当足够能量的光照射到p-n结时，就会产生光生电子-空穴对，位于空间电荷区的光生电子-空穴对在内建电场的作用下自发分离，分离后的电子流向n区，空穴流向p区，从而实现自驱动光电探测。当施加的偏压与内建电场方向相同时，能够增大光生电子-空穴对分离效率，从而提高光响应度。在无偏压条件下，由于内建电场的存在，器件仍有光电探测能力。工作在无偏压下的光电探测器具有极低的暗电流噪声，可以获得很高的探测率。