CN103400900A - ZnO量子点基深紫外传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及ZnO量子点基深紫外传感器及制备方法。本发明将超细的ZnO量子点网络结构作为光电响应的活跃层，是通过ZnO量子点的制备再到ZnO量子点基深紫外传感器的制备过程。本发明解决了过去所存在的光电流的开关基于ZnO表面发生的氧吸附和解吸附的过程非常缓慢以及器件中设计一个有效的肖特基势垒难度大的缺陷。本发明采用简易的、低成本的自组装工艺设计了一个基于ZnO量子点的新型深紫外探测器件，其展现出高的光谱选择性、稳定的光开关行为、高的光电流响应度和快速的响应速度，具有显著的、快速且稳定的光电流开关特性：光电流开关比大于103，光电流上升和衰减时间都小于1s，提高了UV探测器的响应速度。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，特别涉及ZnO量子点基深紫外传感器及制备方法。
背景技术
紫外(UV)传感器件在工业和科学领域有着广泛的需求，如在高温火焰、导弹焰羽的监控、环境光检测以及光开关和光通信等领域都有着直接的应用前景。氧化锌(ZnO)作为一个典型的宽禁带半导体(Eg～3.4eV)，其具有较好的激子束缚能(Eb～60meV)，是开发UV探测器的理想材料之一。近年来，由于一维纳米材料具有天然的电子传输通道和较大的比表面积，ZnO纳米线、纳米棒、纳米带等一维纳米建筑模块被广泛地用于设计UV探测器。然而，在欧姆接触的一维纳米UV探测器件中，光电响应的时间通常需要几秒到几分钟甚至几百分钟，因为光电流的开关基于ZnO表面发生的氧吸附和解吸附的过程非常缓慢。最近研究表明，ZnO纳米结构和电极之间形成的肖特基势垒能够有效地提高光电响应的速度，尤其是恢复过程中光电流的衰减速度。但是，在器件中设计一个有效的肖特基势垒仍然是一项艰巨的任务。众所周知，连续的颗粒膜中颗粒之间存在结势垒，它们相当于各向同性的肖特基势垒阻碍着电子的传输，而且其势垒高度快速敏感于光生载流子浓度，因此这样的结势垒主导着颗粒膜的电导及其光电响应。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，研制ZnO量子点基深紫外传感器制备方法。
本发明的技术方案是：
ZnO量子点基深紫外传感器，其主要技术特征在于利用超细的ZnO量子点网络结构作为光电响应的活跃层。
本发明的另一技术方案是：
ZnO量子点基深紫外传感器制备方法，其主要技术步骤在于：
ZnO量子点的制备：
(1)将Zn(CH3COO)2·2H2O粉末加入到绝对干乙醇溶液中，将该溶液在80℃下连续搅拌至充分溶解，用冰浴将该溶液冷却至0℃；
(2)将LiOH·H2O粉末超声溶解在绝对干乙醇溶液中，配制均匀的LiOH溶液；
(3)将步骤(2)得到的LiOH溶液逐滴缓慢地加进步骤(1)得到的Zn(CH3COO)2的乙醇溶液中，在0℃下反应，辅以磁搅拌和N2气流的保护；
(4)得到ZnO量子点溶液，在绝对干乙醇中并置于0℃以下保存；传感器的制备：
(5)将Au叉指电极放入步骤(4)得到的ZnO量子点的乙醇溶液中；
(6)然后向该溶液中逐滴加入正庚烷，ZnO量子点逐渐溢出并沉积在Au叉指电极上；
(7)经过充分沉积后，将沉积有ZnO量子点的Au叉指电极提出，并在N2下冷却干燥。
本发明设计的ZnO量子点基紫外传感器具有以下优势：1.生产装置简单，技术流程简易、成本低廉，可批量化和工业化；2.具有显著的、快速且稳定的光电流开关特性：光电流开关比大于103，光电流上升和衰减时间都小于1s；3.具有更高的且更具意义的光波选择性，只对波长小于340nm的深紫外线有显著的响应。
本发明采用简易的、低成本的自组装工艺设计了一个基于ZnO量子点的新型深紫外探测器件，其展现出高的光谱选择性、稳定的光开关行为、高的光电流响应度和快速的响应速度，提高了UV探测器的响应速度。
附图说明
图1——本发明中ZnO量子点基紫外传感器自组装的构建过程示意图。
图2——本发明设计的ZnO量子点基紫外传感器在环境白光、355nm和325nm的紫外光照射下的I-V曲线示意图；其中，图2(a)中线性对称的I-V曲线表明器件呈现欧姆接触，而且光电流只有在325nm的深紫外照射下才有显著的增强，说明器件只对深紫外光较敏感，即具有更高的、更具意义的光波选择性；图2(b)显示了对数坐标系中的I-V曲线，更清晰地表明光电流的开关比高于103，且几乎不依赖与偏压(0.1～5V)。
图3——本发明设计的ZnO量子点基紫外传感器在325nm紫外照射(22.9mW/cm2)和5V偏压下时间分辨的光电响应曲线示意图；其中，图3(a)显示了器件具有稳定、快速且显著的光电流开关行为；图3(b)显示光电流的上升和衰减过程符合二阶指数拟合，对应的时间指数分别约为0.8s和0.5s。
具体实施方式
本发明的技术思路在于：
利用ZnO量子点网络作为结构模块构建一个UV探测器件，希望利用量子点之间的结势垒提高UV光电响应的速度。此外，ZnO量子点作为建筑模块还有另外两个优势：1.超小的量子点具有强的量子尺寸效应，其带隙被大大地展宽，能够进一步缩小响应光谱的波长，提高探测的光谱选择性，而且由于越深的紫外线辐照对生物体系具有越大的危害，因此深度紫外线探测更具有意义；2.量子点具有很大的吸收系数和高的比表面积，能够进一步提高器件的光吸收效率和光电响应的活跃面积。
正面是本发明的具体的制备方案分为两步：
第一步ZnO量子点的制备方法，其制备步骤如下：
将2.18g(10mmol)Zn(CH3COO)2·2H2O粉末加入到100mL的绝对干乙醇溶液中，将溶液在80℃下连续搅拌3个小时以确保充分溶解。然后，用冰浴将溶液冷却至0℃。同时，将0.59g(14mmol)LiOH·H2O粉末超声溶解在100mL绝对干乙醇中，配制均匀的L.OH溶液。将配制好的LiOH溶液逐滴缓慢地加进上述Zn(CH3COO)2的乙醇溶液中，反应在0℃下进行2小时，并伴有剧烈的磁搅拌和N2气流的保护。最后，获得的ZnO量子点溶液是无色透明的，利用乙醇和正乙烷交替离心洗涤6次以清除残留试剂和杂质基团，将洗过的ZnO量子点重新分散在绝对乙醇中并置于0℃以下保存。
第二步器件的构造，其制备步骤如下：
通过简易的批量印刷工艺在绝缘陶瓷衬底上沉积的Au叉指电极价格便宜.而且方便购买，沟道越180nm的Au叉指电极，将该叉指电极放入制备好的ZnO量子点的乙醇溶液中，然后向溶液中逐滴加入正庚烷，在254nm的紫外灯照射下，蓝绿荧光的ZnO量子点逐渐溢出并沉积在Au叉指电极上，经过10分钟的充分沉积后，用注射器将溶液上方的无色透明部分抽除，缓慢地将沉积有ZnO量子点的Au叉指电极提出，并在N2下冷却干燥，即得到ZnO量子点基深紫外传感器，从而使得可以利用超细的ZnO量子点网络结构作为光电响应的活跃层。
由此可见，本发明的制备方法具有独特性，在其启发下的方法应当均被认为是本发明所寻求的保护范围，即本发明要求的保护范围并不局限于本具体实施方式的描述。
Claims (2)
1.ZnO量子点基深紫外传感器，其特征在于利用超细的ZnO量子点网络结构作为光电响应的活跃层。
2.根据权利要求1所述的ZnO量子点基深紫外传感器制备方法，其步骤在于：ZnO量子点的制备：
(1)将Zn(CH3COO)2·2H2O粉末加入到绝对干乙醇溶液中，将该溶液在80℃下连续搅拌至充分溶解，用冰浴将该溶液冷却至0℃；
(2)将LiOH·H2O粉末超声溶解在绝对干乙醇溶液中，配制均匀的LiOH溶液；(3)将步骤(2)得到的LiOH溶液逐滴缓慢地加进步骤(1)得到的Zn(CH3COO)2的乙醇溶液中，在0℃下反应，辅以磁搅拌和N2气流的保护；
(4)得到ZnO量子点溶液，在绝对干乙醇中并置于0℃以下保存；传感器的制备：
(5)将Au叉指电极放入步骤(4)得到的ZnO量子点的乙醇溶液中；
(6)然后向该溶液中逐滴加入正庚烷，ZnO量子点逐渐溢出并沉积在Au叉指电极上；
(7)经过充分沉积后，将沉积有ZnO量子点的Au叉指电极提出，并在N2下冷却干燥。
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