[发明专利]一种基于TiO2纳米碗阵列的紫外光探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种聚乙烯基咔唑（PVK）作为电子给体、二氧化钛（TiO₂）纳米碗（nanobowls）阵列作为电子受体的有机无机杂化紫外光探测器及其制备方法。

背景技术

紫外探测器在国防军事、紫外天文学、燃烧工程、导弹尾焰探测、紫外告警、生物细胞癌变检测以及涡轮引擎燃烧效率监测等方面均有着广泛的应用前景，已经成为世界上许多先进国家研究开发的重点课题之一。而宽禁带半导体基紫外光探测器由于体积小、效率高、成本低、功耗低等优点，在光电探测领域得到了广泛的重视和飞速的发展。

目前用于紫外光探测器的半导体材料有很多，主要集中在碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氧化锌（ZnO）等宽禁带半导体材料中。但值得注意的是，大部分基于宽禁带半导体材料的紫外光探测器的光谱响应范围比较宽，无法满足某些特殊应用的需求，如空气中生物或化学有害物质的检测，通常这些有害物质会辐射出特定波长的紫外光。此外，这些器件的制作通常需要类似金属有机化学气象沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）这样复杂的工艺，导致器件生产成本较高。

由于有机材料的吸收光谱可以通过控制分子结构进行有效地调节，有机/无机半导体杂化将有机和无机半导体材料的优点结合在一起，为实现具有光谱选择性的紫外光探测器提供了相对容易和低成本的研究手段。PVK（聚乙烯基咔唑）是一种具有较高空穴迁移率的有机半导体材料，在310～360nm波段具有很强的吸收。而TiO₂作为一种无机N型宽禁带半导体材料，其价格低廉，具有非常好的耐候性、物理和化学稳定性、良好的光电特性。将PVK和TiO₂结合在一起制成有机/无机杂化的异质结，利用两种材料吸收光谱的相互叠加作用，可以研制出具有光谱选择特性的紫外光探测器。

此外，通过引入低维的无机半导体材料与有机材料进行杂化，可以增大有机/无机接触界面、提供定向的载流子传输路径，改善光生电荷的分离和传输，提高杂化器件的性能。而其自身高度有序的周期性结构所具有的特殊光学性质（如对于特殊波长的反射作用）也会为紫外光探测器的光谱选择特性产生积极作用。因此，通过将PVK和聚苯乙烯（PS）小球模板法制备出的TiO₂纳米碗阵列杂化制备出的光谱选择性紫外光探测器具有独特的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PVK作为电子给体、TiO₂纳米碗阵列作为电子受体的有机无机杂化紫外光探测器及该紫外光探测器的制备方法。

本发明采用PVK作为电子给体材料，TiO₂纳米碗阵列作为电子受体材料，将两种材料制成有机/无机杂化的双层异质结作为有源层，制作紫外光探测器。通过氧化铟锡（ITO）、PVK、TiO₂纳米碗阵列各层薄膜光学特性的相互作用，实现紫外光探测器的光谱选择特性。

本发明所述的紫外光探测器，其特征在于：从光入射方向依次为ITO玻璃衬底、作为电子受体的呈三角晶格排列紧密堆积的TiO₂纳米碗阵列（PS小球模板和溶胶凝胶法制备）、PVK薄膜（溶液旋涂法制备）、作为空穴传输层的三氧化钨（WO₃）薄膜（真空蒸镀法制备）、作为顶电极的金属薄膜（金属可以为银Ag、铝Al、金Au等，真空蒸镀法制备）。

进一步，对于呈三角晶格排列紧密堆积的TiO₂纳米碗阵列，碗形结构单元的内径为360～390nm，脊部高度为50～80nm，脊部厚度为90～120nm，底部厚度为30～60nm，相邻两个碗形结构单元圆心连线的长度（即三角晶格的晶格常数）为420～440nm，PVK薄膜的厚度为100～150nm，WO₃薄膜的厚度为10～15nm，金属薄膜的厚度为50～60nm。

本发明所述的基于TiO₂纳米碗阵列的有机无机杂化紫外光探测器的制备步骤如下：

[1]ITO玻璃依次用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗，然后烘干；

[2]在室温下，将20～40mL乙醇、10～20mL去离子水、2～5mL浓度为0.28mol/L的盐酸配成的混合溶液逐滴滴入含有10～20mL钛酸四丁酯、50～60mL乙醇、5～10mL乙酰丙酮的溶液中，并伴有剧烈搅拌2～4小时，进而制得TiO₂溶胶；