[发明专利]一种基于纳米ZnO‑rGO复合材料的光电导型紫外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种紫外探测器的制备方法，尤其涉及一种基于纳米ZnO-rGO复合材料的光电导型紫外波段探测器及其制备方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

紫外探测技术是以紫外光辐射的大气传输与衰减特性和高性能紫外光学传感器为基础的一门新技术。与传统的红外和激光探测技术相比，紫外探测技术在许多方面的特殊优势使得其在很多的场合都有着广泛的应用价值：军事上，用于紫外告警、紫外通信、紫外/红外复合制导、导弹探测和光电对抗等，民用上，利用紫外探测技术探测太阳紫外辐射强度以及检测细胞病变。然而，至今市场上还是以传统光电倍增管和硅基紫外探测器为主。

ZnO作为一种新型的直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，抗辐射能力强，并且可通过Mg掺杂实现禁带宽度在3.37～7.78eV之间调节，以实现对不同波段紫外线的探测。此外，ZnO有着较为丰富的纳米结构且制备过程简便。相对于传统的光电倍增管和硅基紫外探测器，第三代ZnO基宽禁带半导体材料紫外探测器有着体积小、质量轻、稳定、量子率高、噪声低、响应速度快、光谱响应峰值在紫外波段等特点。同时，它对波长大于400nm的可见光和红外光无阻碍透过，可见光抑制比高，不需要外加滤光片，测量精度高，是紫外探测器的主要研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备成本低、工艺简单、易于大面积生产，且灵敏度、响应度较高的基于纳米ZnO-rGO复合材料的光电导型紫外探测器及其制备方法。

本发明的基于纳米ZnO-rGO复合材料的光电导型紫外探测器，自下而上依次有低阻Si层、SiO₂绝缘层、纳米ZnO-rGO旋凃层和Al电极。制备方法包括以下步骤：

1)在烧杯中加入粉末状Zn(CH₃COO)₂·2H₂O和NaOH，再加入无水乙醇，使得Zn(CH₃COO)₂·2H₂O的浓度为0.1mol/L，NaOH的浓度为1mol/L，将烧杯封口后置于室温下充分搅拌直至固体完全溶解并且形成乳白色前驱体溶液；

将上述前驱体溶液转移至聚四氟乙烯内胆中，将内胆放入水热釜中，拧紧，置于150℃烘箱中保温2h；

待水热釜冷却至室温后取出并分管离心，离心产物需用无水乙醇洗涤、再离心2次后放置于60℃烘箱内干燥12h，得到纳米ZnO颗粒；

2)将上述纳米ZnO颗粒加入无水乙醇中，超声使其完全分散，然后加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，使得ZnO(mg)：APTES(ml)＝0.5～1，在60℃下水浴回流处理4h；

将液体分管离心，并用无水乙醇洗涤、再离心2次后置于60℃的烘箱内干燥12h，得到表面改性后的纳米ZnO颗粒；

3)将表面改性后的纳米ZnO颗粒加入去离子水中，超声使其完全分散后，加入2mg/ml GO水溶液形成混合液，使得GO的质量分数为5％～10％，室温下充分搅拌2h后使GO与ZnO混合均匀；

将上述混合液转移至聚四氟乙烯内胆中，将内胆放入水热釜中，拧紧，置于180℃烘箱中保温12h；

待水热反应完成后装置自然冷却至室温，将产物离心并且先后用去离子水和无水乙醇交替洗涤4次后置于60℃烘箱中干燥12h，得到纳米ZnO-rGO复合材料，并配制浓度为25mg/ml的ZnO-rGO/无水乙醇混合液。

4)在洁净、低阻Si片(1)的SiO₂绝缘层(2)上旋涂步骤3)的ZnO-rGO/无水乙醇混合液，转速为1000～3000r/min，旋涂30s，旋涂次数为1～2次，得到纳米ZnO-rGO旋凃层(3)；

5)在上述的旋凃层(3)上蒸镀厚度为70～100nm的Al电极(4)，获得基于纳米ZnO-rGO复合材料的光电导型紫外探测器。

本发明的基于纳米ZnO-rGO复合材料的光电导型紫外探测器的工作原理是：在一定偏压下，无光照时，纳米ZnO-rGO复合材料导电性较差，暗电流较小；当紫外光照射时，ZnO中产生光子电子和空穴，由于ZnO纳米材料存在表面态和缺陷，易形成陷阱中心捕获光生载流子，而还原氧化石墨烯是良好的受电子体，其特殊的能带结构和优良的导电性能为电子转移和快速传输提供了很好的通道，两者复合使得光生电子和空穴实现快速分离，形成的电流被外电路收集，从而完成对紫外线的探测过程。

本发明的有益效果在于：