CN107402068B - 一种基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，包含平面型和“三明治”型两种结构。平面型紫外光传感器包括衬底、金属纳米线层、氧化锌纳米材料层；“三明治”结构包含顶电极层。制备时首先在柔性、透明的衬底上通过喷涂沉积一层金属纳米线导电薄膜为基底，然后用溶胶‑凝胶法在掩膜板覆盖的金属纳米线/衬底上生长一层氧化锌的晶种，再采用低温水热法在金属纳米线上生长氧化锌纳米材料层作为活性层，引出电极引线制得器件。本发明提出的紫外传感器的透光度大于50％，在0.5V操作电压下具有良好的灵敏度，而且具有工艺简单，成本低廉，易于大规模制备等特点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备与应用传感领域，涉及一种基于金属纳米线/氧化锌纳米结构的柔性、透明紫外光传感器的制备方法。
背景技术
紫外光传感器具有高灵敏度、高响应速度、寿命长、耗电少等特点，在安全防护、自动化控制、环境监测和生物医学等方面有广泛的应用。作为一种宽禁带半导体材料，氧化锌材料，特别是氧化锌纳米材料对紫外光具有较好的光电响应，是一种理想的紫外光传感器材料。传统上应用于紫外光传感器的氧化锌活性材料一般为生长于硅片、ITO等刚性衬底上的颗粒、纳米线、纳米棒薄膜，具有与衬底的附着力差、膜的连续性差、薄厚不均等问题。此外，刚性衬底器件也难以满足未来可穿戴电子设备对耐弯折、拉伸等柔性化和透明性的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性、透明的紫外光传感器，以用于具有耐弯折、抗拉伸和透明性需求的可穿戴电子设备。
本发明提供的技术方案是一种基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，包括柔性、透明的衬底、沉积在衬底上的金属纳米线层、在金属纳米线层上制备的氧化锌纳米材料层，金属纳米线层上设置点电极。
进一步，在氧化锌纳米材料层上制备顶电极层，点电极位于顶电极层之上。
进一步，上述顶电极层为通过掩膜板在氧化锌纳米材料层上沉积的金属纳米线或金属薄膜层。
作为优选，上述衬底可以是PET、PDMS、PI。
本发明还进一步提供一种制备上述基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器的方法，具体包含以下步骤：
S1：在柔性衬底上用喷涂技术沉积一层金属纳米线层，金属纳米线层的厚度在5-50μm，方阻小于25Ω.sq–1；
S2：在制备好的金属纳米线衬底上固定好掩膜板，在上面滴涂晶种溶液，沉积一层氧化锌薄膜层作为晶种层，得到插指电极形状的薄膜，然后置于热水浴的烧杯中，使用含有锌离子的碱性反应溶液，将衬底竖直***到反应液中并固定；
S3：在70-95℃的水浴中反应1-8h，反应后将衬底用去离子水清洗干净，置于烘箱中烘干，得到氧化锌阵列；
S4：在金属纳米线层2上沉积点电极，得到对紫外有很好敏感度的氧化锌纳米传感器。
步骤3之后包含一个制备顶电极层的工序，具体内容如下：将上述氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品覆盖掩膜板，图案化喷涂银纳米线层或蒸镀金属层，放入干燥箱中干燥后，上面一层即为顶电极层，获得“三明治”型紫外光传感器。
晶种溶液为二水合醋酸锌、甲醇、聚乙烯醇的乙醇溶液，浓度为0.008M。
含有锌离子的碱性溶液为0.03-0.05M的二水合醋酸锌(六水合硝酸锌)和六次亚甲基四胺水溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1，本发明的紫外传感器的透光度大于50％，在0.5V操作电压下具有良好的灵敏度。
2，在机械弯折100次后还可以保持原有的传感性能不发生衰减。
3，具有工艺简单，成本低廉，易于大规模制备等特点。
附图说明
图1是平面型紫外传感器的示意图。
图2是“三明治”结构紫外光传感器的示意图。
其中：1为衬底，2为金属纳米线层，3为氧化锌纳米结构层，5为顶电极，4、6为点电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明
实施例1
参见附图1，平面型紫外光传感器的制备过程如下：
(1)衬底处理：将PET衬底经等离子处理除去其表面杂质，增加亲水性。
(2)金属纳米线层的沉积：将金属纳米线的乙醇分散液喷涂于PET衬底沉积形成金属纳米线薄膜；将薄膜在100℃的蒸空干燥箱中退火，要求薄膜方阻小于25Ω.sq–1，透光度大于80％。
(3)氧化锌纳米线层的制备：
1)称取二水合醋酸锌、甲醇、聚乙烯醇按1：1：1的摩尔比溶解在乙醇(ethanol)溶液中配置成浓度为0.008M的醋酸锌溶液。
2)取一定量上述醋酸锌溶液滴涂于掩膜板覆盖的金属纳米线/PET衬底上，放入100℃烘箱中烘干30min,得表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET样品。
3)将二水合醋酸锌、六次亚甲基四胺等摩尔溶解于去离子水中，配成0.01-0.05M的二水合醋酸锌溶液；将表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET衬底放置于硝酸锌溶液中，75-90℃下反应1-3h；取出样品，去除掩膜板，用大量去离子水冲洗，直到衬底表面没有氧化锌附着物为止，即得氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品。
(4)平面型紫外光传感器的构筑：将上述图案化的氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品的金属纳米线部分引出电极导线，即得平面型紫外光传感器；
上述实施例中，衬底还可以使用PEDS，PI。
氧化锌层还可以使用氧化锌纳米柱。氧化锌层纳米柱制备过程为：
1)称取二水合醋酸锌、甲醇、聚乙烯醇按1：1：1的摩尔比溶解在乙醇(ethanol)溶液中配置成浓度为0.008M的醋酸锌溶液。
2)取一定量上述醋酸锌溶液滴涂于掩膜板覆盖的金属纳米线/PET衬底上，放入100℃烘箱中烘干30min,得表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET样品。
3)将六水合硝酸锌、六次亚甲基四胺等摩尔溶解于去离子水中，配成0.03-0.08M的硝酸锌溶液；将表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET衬底放置于硝酸锌溶液中，80-95℃下反应3-5h；取出样品，去除掩膜板；用大量去离子水冲洗，直到衬底表面没有氧化锌附着物为止，即得氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品。
氧化锌层还可以使用氧化锌纳米管。氧化锌层纳米管的制备过程为：
1)称取二水合醋酸锌、甲醇、聚乙烯醇按1：1：1的摩尔比溶解在乙醇(ethanol)溶液中配置成浓度为0.08M的醋酸锌溶液。
2)取一定量上述醋酸锌溶液滴涂于掩膜板覆盖的金属纳米线/PET衬底上，放入100℃烘箱中烘干30min,得表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET样品。
3)将六水合硝酸锌、六次亚甲基四胺等摩尔溶解于去离子水中，配成0.05-0.1M的硝酸锌溶液；将表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET衬底放置于硝酸锌溶液中，80-95℃下反应5-8h；并且在反应过程中不断鼓入纯氧气(50sccm)。取出样品，去除掩膜板；用大量去离子水冲洗，直到衬底表面没有氧化锌附着物为止，即得氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品。
具体实施时，衬底和氧化锌层的组合还可以有以下的变化：比如，衬底使用PEDS，氧化锌层使用氧化锌纳米柱；衬底使用PEDS，氧化锌层使用氧化锌纳米管；衬底使用PI，氧化锌层使用氧化锌纳米柱；衬底使用PI，氧化锌层使用氧化锌纳米管。
参见附图2，“三明治”型紫外光传感器的制备过程如下：
(1)衬底处理：将PET衬底经等离子处理除去其表面杂质，增加亲水性。
(2)金属纳米线层沉积：将金属纳米线的乙醇分散液喷涂于PET衬底沉积形成金属纳米线薄膜；将薄膜在100℃的蒸空干燥箱中退火，要求薄膜方阻小于25Ω.sq–1，透光度大于80％。
(3)氧化锌纳米线层制备：
1)称取二水合醋酸锌、甲醇、聚乙烯醇按1：1：1的摩尔比溶解在乙醇(ethanol)溶液中配置成浓度为0.008M的醋酸锌溶液。
2)取一定量上述醋酸锌溶液滴涂于掩膜板覆盖的金属纳米线/PET衬底上，放入100℃烘箱中烘干30min,得表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET样品。
3)将二水合醋酸锌、六次亚甲基四胺等摩尔溶解于去离子水中，配成0.01-0.05M的二水合醋酸锌溶液；将表面附有氧化锌晶种的金属纳米线/PET衬底放置于硝酸锌溶液中，75-90℃下反应1-3h；取出样品，去除掩膜板，用大量去离子水冲洗，直到衬底表面没有氧化锌附着物为止，即得氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品。
(4)“三明治”型紫外光传感器的构筑：将上述氧化锌纳米线/金属纳米线/PET样品覆盖掩膜板，图案化喷涂银纳米线层或蒸镀金属层，获得“三明治”型紫外光传感器。
上述制备过程中，衬底可以使用PEDS、PI。氧化锌层可以使用氧化锌纳米柱、氧化锌纳米管。
具体实施时，衬底和氧化锌层的组合还可以有以下的变化：比如，衬底使用PEDS，氧化锌层使用氧化锌纳米柱；衬底使用PEDS，氧化锌层使用氧化锌纳米管；衬底使用PI，氧化锌层使用氧化锌纳米柱；衬底使用PI，氧化锌层使用氧化锌纳米管。
Claims (5)
1.一种基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，其特征在于，包括柔性、透明的衬底1、沉积在衬底上的柔性、透明金属纳米线层2、在金属纳米线层2上制备的氧化锌纳米材料层3，金属纳米线层2上设置点电极4。
2.如权利要求 1所述的基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，其特征在于，柔性、透明金属纳米线层通过喷涂制备，氧化锌纳米材料层直接生长于柔性、透明金属纳米线上。
3.如权利要求 1所述的基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，其特征在于所述顶电极层为通过掩膜板在氧化锌纳米材料层上沉积的柔性、透明金属纳米线或金属薄膜层，点电极位于顶电极层之上。
4.如权利要求 1所述的基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器，其特征在于所述衬底为PET、PDMS、PI。
5.一种制备如权利要求 1所述的基于金属纳米线/氧化锌纳米材料的紫外光传感器的方法，其特征在于包含以下步骤：
S1：在柔性衬底上用喷涂技术沉积一层金属纳米线层，金属纳米线层的厚度在5-50μm，方阻小于25Ω.sq–1；
S2：在制备好的金属纳米线衬底上固定好掩膜板，在上面滴涂晶种溶液，沉积一层氧化锌薄膜层作为晶种层，得到插指电极形状的薄膜，然后置于热水浴的烧杯中，使用含有锌离子的碱性反应溶液，将衬底竖直***到反应液中并固定；
S3：在70-95℃的水浴中反应1-8h，反应后将衬底用去离子水清洗干净，置于烘箱中烘干，得到氧化锌阵列；
S4：在金属纳米线层2上沉积点电极，得到对紫外有很好敏感度的氧化锌纳米传感器。
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