[发明专利]一种纳米线异质结阵列基紫外光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光探测器技术，特别是一种用于紫外光探测的TiO₂纳米线异质结阵列基紫外光探测器及其制备方法。

背景技术

紫外光探测器是一种在军、民领域均得到广泛应用的光电探测器件。宽带隙半导体材料，如(Al)GaN、SiC、ZnO、金刚石等，因其优异的紫外光选择吸收性，优秀的热导、热稳定性和化学惰性，已成为替代价格昂贵、适用范围有限的光电倍增管和传统硅基探测器的首选材料。然而，尽管单晶薄膜器件的光电性能非常优异，但制备高质量的单晶半导体薄膜却一直存在很多难题需要解决，如所需设备昂贵，生长、掺杂技术难度高等。这些因素使得单晶半导体薄膜紫外光探测器的制造成本仍然很高，无法得到普及应用。

随着纳米材料和纳米光电子技术的飞速发展，制备工艺更为简易的纳米多晶薄膜结型器件的出现，为低成本、高性能紫外光探测器的制造工艺开辟了全新的道路，相关研究也已成为新的研究热点。有关纳米结构薄膜紫外光探测器的研究主要集中在纳米ZnO和纳米TiO₂薄膜上。特别是近年来已广泛应用于染料敏化太阳能电池、光催化分解污染物、自清洁薄膜等领域的纳米多晶TiO₂薄膜由于具有非常强的紫外光吸收特性，更是引起了人们极大的兴趣。这种材料不仅耐高温、耐用性强、物理和化学性质稳定，而且制备工艺难度较低，采用常规液相方法(如溶胶-凝胶法)即可制得高质量、性能稳定的薄膜材料。由于纳米TiO₂薄膜在诸多领域的广泛应用，因此具有非常成熟的制备工艺。上述这些优点使得纳米多晶TiO₂薄膜成为一种用于制备低成本、高性能紫外光探测器的理想材料。

目前，国内外研究人员以纳米多晶TiO₂薄膜为基础设计了多种不同结构的紫外光电探测器件，包括液结、肖特基结、PN结型紫外光探测器，并对它们的光电性能进行了较为详细的研究，如《科学通报》2006.51(8)发表了付姚、曹望和合著的《用于紫外光传感器的透明纳米TiO₂薄膜的制备》，《功能材料与器件学报》2005，11(2)发表了张利伟、杨仕娥、姚宁等合著的《用于紫外光电导探测器的TiO₂薄膜研究》。然而，尽管有关纳米多晶TiO₂薄膜紫外光探测器的研究取得了一定的进展，但从所获器件性能来看，仍处于初级阶段。纳米多晶薄膜紫外光探测器的光电性能尚无法赶超单晶器件而获得应用。

经过分析不难发现，传统多晶TiO₂薄膜光电性能之所以无法得到飞跃性的提高，其根本原因在于：多晶薄膜内过高的晶界和缺陷密度严重阻碍了光生电子向导电基底或金属电极的扩散，同时大量缺陷作为光生电子-空穴对的复合中心也严重降低了光生载流子的寿命。因此，即使制成结型器件，其光电性能也难以获得大幅提升。而这些问题与传统多晶TiO₂薄膜晶粒间较大的无序度有很大关系。如果能够将纳米TiO₂多晶薄膜的晶粒高度有序地排列起来，甚至在薄膜内形成光生载流子传输的专用通道，那么势必会使薄膜中光生载流子在传输中受到的阻碍大幅降低，从而有望使纳米多晶薄膜的光电性能获得显著的提高，使其接近甚至达到单晶器件的水平。

实际上，利用高度有序化的纳米多晶薄膜制备光电子器件已成为近年来热门的研究课题之一。有关纳米管阵列、纳米线阵列、光子晶体应用于太阳能电池、气体传感器、光催化等领域的研究均取得了不错的效果。《Applied PhysicsLetters》2008.93：133107发表了C.J.Lin，W.Y.Yu and S.H.Chien合著的《Roughconical-shaped TiO₂-nanotube arrays for flexible backilluminated dye-sensitizedsolar cells》，他们的研究结果证实，具有高度有序结构的纳米多晶薄膜比传统多晶薄膜的确能够获得令人惊喜的性能提高。然而需要注意的是，高度有序化的纳米结构虽然对提高光生载流子的传输速率有很大帮助，但其对光生电子-空穴对的分离却无直接作用。因此，仅凭TiO₂单质材料构成有序化薄膜很难获得理想的高光电性能。虽然，通过一些简单措施，如离子掺杂、半导体敏化等，能够在一定程度上提高薄膜光电性能，但其作用效果最多能够获得50％左右性能提高，这是远远不够的。

发明内容