[发明专利]基于铁酸铋的光电传感器元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于铁酸铋的光电传感器元件及其制作方法。

背景技术

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它借助光电元件将光信号转换成电信号。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参与导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

本发明采用采用另一种新颖的氧化物材料，铁酸铋(化学式BiFeO₃)。基于和光电二极管(PN结)完全不同的原理。BiFeO₃是单相多铁材料的典范(以下正文中BiFeO₃简写为BFO)。它是目前唯一能同时在室温表现出铁电性和磁性的材料。BFO的结构、磁学与铁电性质已经被广泛而深入的研究。最近几年，研究者发现了其光催化性能和太赫兹辐射等性质，这启发了人们探索其光电活性[1-3]。BFO带隙比传统铁电体窄(约2.2ev-2.8ev，不同文献有差异)[4]，这在过去被认为是一个弊端，因为较窄的带隙会伴随绝缘性和铁电性的减弱。传统上，人们只关注如何减少BFO的漏电流以增强铁电性；而如今，其不甚宽的带隙以及特殊的电导性质引起了研究者的极大兴趣。

2009年，Ramesh组报道了BFO的畴壁导电行为[5]。Choi等人研究了BFO块体的二极管效应[6]，在他们的Science文章中指出,BFO具有与电极化方向同向导通、异向截止的特性。目前对于BFO的光电性能并未有深刻的理解和机制上的解释。铁电体中的光伏性质机理本身就存在争议，而BFO中的光电性能比传统铁电体高两个数量级以上，其效应更需要重新认识。

本发明利用BFO在可见光波段的光电性能，亦即在光照下产生开路电压或闭路电流的特性，提出了其作为光电传感器的应用。

参考文献

[1]F.Gao,X.Y.Chen,K.B.Yin,etal.Adv.Mater.19,2889(2007).

[2]K.Takahashi,N.Kida,M.Tonouchi,Phys.Rev.Lett.96,117402(2006).

[3]D.Talbayev,S.Lee,S.-W.Cheong,etal.,Appl.Phys.Lett.93,212906(2008).

[4]T.Kanai,S.Ohkoshi,andK.Hashimoto,J.Phys.Chem.Solides64,391(2003).

[5]J.Seidel,L.W.Martin,Q.He,etal.,NatureMater.8,229(2009).

[6]T.Choi,S.Lee,Y.J.Choi,etal.Science,324,63(2009)。

发明内容

本发明目的是：本发明提供一种基于铁酸铋的光电传感器元件，同时本发明还提供了该光电传感器元件的制作方法，将能量大于铁酸铋带隙(2.7电子伏)的光辐照在该光电传感器元件之上，可以产生开路光电压，该电压正比于铁酸铋薄膜厚度。该光-开路光电压关系可以作为光电传感的信号转换。感光波长为小于430nm。

本发明的技术方案是：一种基于铁酸铋的光电传感器元件，其特征在于它包括自下而上依次布置的SrTiO₃衬底、作为下电极的SrRuO₃外延膜、BiFeO₃外延膜和作为上电极的ITO透明膜，所述SrRuO₃外延膜外延沉积在所述SrTiO₃衬底上，所述BiFeO₃外延膜外延沉积在所述SrRuO₃外延膜上，所述ITO透明膜外延沉积在所述BiFeO₃外延膜上，所述SrRuO₃外延膜和ITO透明膜通过导线连接电压测量设备。

作为优选，所述电压测量设备为直流毫伏表。

上述光电传感器元件的制作方法包括以下步骤：