一種基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，包括透明導電柔性襯底、ZnO籽晶層、ZnO納米陣列、離子液體凝膠電解質(zhì)層、Pt導電層和柔性襯底，其邊緣采用密封膠粘合密封。其制備方法為先在透明導電柔性襯底上生長ZnO籽晶層，再在其上生長ZnO納米陣列；將離子液體凝膠電解質(zhì)均勻涂覆在ZnO納米陣列層上；再在另一柔性襯底上蒸鍍Pt導電層；經(jīng)粘結(jié)密封獲得。相比于傳統(tǒng)的紫外探測器，本發(fā)明具有無需外加偏壓、可攜帶、響應速度快、可彎曲使用等優(yōu)勢，且制備過程簡單，可以實現(xiàn)大面積批量生產(chǎn)，此外，此探測器不需要頻繁更換電解質(zhì)，能夠穩(wěn)定的持續(xù)工作。
【專利說明】
一種基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器及其制備方法
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明屬于半導體器件技術(shù)領域，特別涉及一種基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間、電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人類對紫外線的研究興趣愈發(fā)濃厚。近年來，紫外探測已經(jīng)發(fā)展成一項軍民兩用的技術(shù)。在軍用方面，紫外探測可用于空間通訊，紫外干擾，紫外制導;在民用方面，紫外探測可用于日常紫外線強度的探測、明火探測、生物醫(yī)藥分析，環(huán)境污染檢測等。目前已投入商業(yè)化和軍事應用的紫外探測器是光電倍增管和硅基紫外探測器。然而，關于自供能的紫外探測器的報道還很少，而且這種類型的探測器一般還存在電解質(zhì)易揮發(fā)阻礙探測器的長時間持續(xù)工作。尤其需要指出的是，基于柔性襯底光化學電池結(jié)構(gòu)的準固態(tài)自供能型ZnO基紫外探測器還未報道。
[0003]ZnO是一種寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，在紫外探測方面受到越來越廣泛的關注。ZnO材料來源廣，價格低廉，且ZnO也是一種環(huán)境友好型的材料，具有無毒、生物兼容等特點。因此，遵從可持續(xù)發(fā)展的原則，開展ZnO基紫外探測器的研究很有意義。相比于傳統(tǒng)的薄膜紫外探測器，柔性襯底自供能型ZnO基紫外探測器具有無需外加偏壓、響應速度快、響應靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、可攜帶、可折疊等優(yōu)勢。
[0004]最近，人們開發(fā)出了各種粘度低、化學穩(wěn)定性好、熔點低、熱穩(wěn)定性好的離子液體電解質(zhì)。與普通溶劑不同，離子液體中沒有分子，都是陰離子和陽離子，因此離子液體中的離子不會形成分子跑到空氣中，即使在200°C的高溫下，也不會使離子液體揮發(fā)或蒸發(fā)，從而減少了對土壤和空氣的污染。離子液體具有飽和蒸氣壓低、溶解度大、電化學窗口大、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。這些優(yōu)點有望提升探測器的光電轉(zhuǎn)換效率和響應度，易于封裝生產(chǎn)，而且不易燃爆具有安全性，在商用和家用領域?qū)袕V闊的應用前景。因此，將其用于柔性自供能型紫外探測器準固態(tài)的電解質(zhì)有望提高探測器的探測性能和循環(huán)使用性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種制備成本低、工藝簡單且性能優(yōu)良的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，自下而上依次有透明導電柔性襯底、ZnO籽晶層、ZnO納米陣列、Pt導電層和柔性襯底，在ZnO納米陣列和Pt導電層之間填充有離子液體凝膠電解質(zhì)層，且該探測器邊緣通過密封膠粘合密封。
[0007]上述技術(shù)方案中，透明導電柔性襯底、ZnO籽晶層與ZnO納米陣列構(gòu)成器件的工作電極，Pt導電層及柔性襯底構(gòu)成器件的對電極，采用的電解質(zhì)是離子液體凝膠電解質(zhì)。
[0008]所述的透明導電柔性襯底可以是鍍有ITO導電膜的PET。
[0009]通常，ZnO籽晶層的厚度為20?100納米，ZnO納米陣列的厚度為I?3微米;離子液體凝膠電解質(zhì)層均勻涂覆在ZnO納米陣列層上，厚度為40?60微米;Pt導電層的厚度為60?100納米。
[0010]基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)將經(jīng)清洗處理的透明導電柔性襯底放入激光脈沖沉積設備，以ZnO陶瓷靶為靶材，在20?60°C，02壓力為I?3Pa條件下，生長ZnO籽晶層；隨后將長有ZnO籽晶的襯底放入水熱釜，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源配置生長液，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在80?95°C保溫4?10h，在ZnO籽晶層上生長ZnO納米陣列，獲得器件的工作電極；
[0012]2)將50mg 1-甲基-3-丙基碘化咪卩坐鐵溶解于2?3mL已腈中，攪拌10?20min，之后加入0.1?0.2g碘化鉀攪拌至溶解，最后加入0.5?2g的聚氧化乙烯，攪拌12h，制備得離子液體凝膠電解質(zhì)；
[0013]3)將經(jīng)清洗處理的柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制薄膜的生長速度在0.7?1.1埃米/秒，在柔性襯底上生長Pt導電層，制備得到對電極；
[0014]4)將步驟2)的離子液體凝膠電解質(zhì)均勻涂覆在ZnO納米陣列上，再將生長有Pt導電層的柔性襯底翻轉(zhuǎn)覆蓋于離子液體凝膠電解質(zhì)層上，用密封膠將工作電極與對電極粘結(jié)，即將透明導電柔性襯底與柔性襯底的邊緣粘合密封，得到基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器。
[0015]工作原理:ZnO的功函數(shù)要比電解質(zhì)的氧化還原電位要高，當ZnO和電解質(zhì)接觸時，氧化鋅導帶的電子會擴散到電解質(zhì)這一側(cè)直到形成新的平衡態(tài)。此時，空間電荷區(qū)形成，即內(nèi)建電場建立，電場方向從氧化鋅這一側(cè)指向電解質(zhì)這一側(cè)。當紫外線照射在ZnO上時，因為紫外光子的能量大于ZnO的禁帶寬度，光子會被ZnO吸收，從而產(chǎn)生光生載流子即產(chǎn)生空穴一電子對?？昭?電子對在內(nèi)建電場的作用下會發(fā)生分離，電子會向氧化鋅一側(cè)漂移，空穴向電解質(zhì)這一側(cè)漂移?？昭〞㈦娊赓|(zhì)中的I—氧化為I3—，電子在ZnO納米線中傳輸至ITO導電層上，再經(jīng)外電路到達對電極，電子被13—捕獲，在Pt的催化下，I3—將被還原成I—，由此構(gòu)成一個完整的電流回路。只需紫外光持續(xù)照在探測器上，器件就能持續(xù)工作，就像太陽能電池一樣，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，不需要外加電壓，是一種自驅(qū)動的器件。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]I)本發(fā)明制備過程簡單、制備成本低、易于實現(xiàn)大面積生產(chǎn)；
[0018]2)本發(fā)明獲得的紫外探測器無需外加電壓驅(qū)動、響應速度快；
[0019]3)探測器中電解質(zhì)不易揮發(fā)和泄露、電荷傳輸性能較好且可長期穩(wěn)定使用；
[0020]4)整個器件可以彎曲自如，輕質(zhì)，攜帶方便。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:I為透明導電柔性襯底、2為ZnO籽晶層、3為密封膠、4為ZnO納米陣列、5為離子液體凝膠電解質(zhì)層、6為Pt導電層、7為柔性襯底。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖詳細敘述本發(fā)明。
[0024]參照圖1，本發(fā)明的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，自下而上依次有為透明導電柔性襯底1、Ζη0籽晶層2、Zn0納米陣列4、離子液體凝膠電解質(zhì)層5、Pt導電層6、柔性襯底7，器件邊緣通過密封膠3粘合密封。其中ZnO納米陣列厚度為I?3微米，離子液體凝膠電解質(zhì)層厚度為40?60微米。
[0025]實施例1
[0026]I)將經(jīng)清洗處理的鍍有ITO導電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長溫度60°C，O2壓力為IPa，生長厚度為50nm的ZnO籽晶層;然后放入水熱反應釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在80°C保溫4h，在ZnO籽晶層上生長長度為1.5μπι的ZnO納米陣列，制備得工作電極；
[0027]2)將50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解于2mL已腈中，攪拌1min，之后加入
0.1g碘化鉀攪拌至溶解，最后加入0.5g的聚氧化乙烯，攪拌12h，制備得離子液體凝膠電解質(zhì)；
[0028]3)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長Pt導電層，厚度為10nm;制備得對電極；
[0029]4)將步驟2)的電解質(zhì)均勻涂覆在步驟I)的ZnO納米陣列上，再將工作電極與對電極用密封膠封裝，得到基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器。
[0030]本例制得的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器響應速度為0.15s。
[0031]實施例2
[0032]I)將經(jīng)清洗處理的鍍有ITO導電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長溫度30°C，O2壓力為2Pa，生長厚度為20nm的ZnO籽晶層;然后放入水熱反應釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在85°C保溫7h，在ZnO籽晶層上生長長度為3μπι的ZnO納米陣列，制備得工作電極；
[0033]2)將50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解3mL已腈中，攪拌1min，之后加入0.2g碘化鉀攪拌至溶解，最后加入Ig的聚氧化乙烯，攪拌12h，制備得離子液體凝膠電解質(zhì)；
[0034]3)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長Pt導電層，厚度為60nm，制備得對電極；
[0035]4)將步驟2)的電解質(zhì)均勻涂覆在步驟I)的ZnO納米陣列上，再將工作電極與對電極用密封膠封裝，得到基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器。
[0036]本例制得的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器響應速度為0.13s。
[0037]實施例3
[0038]I)將經(jīng)清洗處理的鍍有ITO導電膜的PET襯底放入激光脈沖沉積設備，以ZnO陶瓷靶為靶材，調(diào)節(jié)生長溫度50°C，O2壓力為IPa，生長厚度為80nm的ZnO籽晶層;然后放入水熱反應釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:I，在85°C保溫5h，在ZnO籽晶層上生長長度為2.5μπι的ZnO納米陣列，制備得工作電極；
[0039]2)將50mg 1-甲基_3_丙基碘化咪唑鑰溶解于3mL已腈中，攪拌1min，之后加入
0.2g碘化鉀攪拌至溶解，最后加入2g的聚氧化乙烯，攪拌12h，制備得離子液體凝膠電解質(zhì)；
[0040]3)將經(jīng)清洗處理的PET柔性襯底放入電子束蒸發(fā)設備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制生長速度為0.7?1.1埃米/秒，在PET上生長Pt導電層，厚度為60nm，制備得對電極；
[0041 ] 4)將步驟2)的電解質(zhì)均勻涂覆在步驟I)的ZnO納米陣列上，再將工作電極與對電極用密封膠封裝，得到基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器。
[0042]本例制得的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器響應速度為0.11s。
【主權(quán)項】
1.一種基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是自下而上依次有透明導電柔性襯底(1)、Ζη0籽晶層(2)、Zn0納米陣列(4)、Pt導電層(6)和柔性襯底(7);在ZnO納米陣列(4)和Pt導電層(6)之間填充有離子液體凝膠電解質(zhì)層(5)，且該探測器邊緣通過密封膠(3)粘合密封。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是所述的離子液體凝膠電解質(zhì)層(5)均勻涂覆在ZnO納米陣列(4)層上，厚度為40?60微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是所述的ZnO籽晶層(2)的厚度為20?100納米，ZnO納米陣列(4)的厚度為I?3微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是所述的Pt導電層(6)的厚度為60?100納米。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是所述的離子液體凝膠電解質(zhì)層是已腈、1-甲基-3-丙基碘化咪唑鑰、碘化鉀、聚氧化乙烯的混合物。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器，其特征是所述的透明導電柔性襯底(I)是鍍有ITO導電膜的PET。7.制備如權(quán)利要求1-6任一項所述的基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將經(jīng)清洗處理的透明導電柔性襯底(I)放入激光脈沖沉積設備，以ZnO陶瓷靶為靶材，在20?600C，O2壓力為I?3Pa條件下，生長ZnO籽晶層(2)；然后放入水熱反應釜中，以二水乙酸鋅和六次甲基四胺為源，二水乙酸鋅和六次甲基四胺的摩爾比為1:1，在80?90°C保溫4?1h，在ZnO籽晶層上生長ZnO納米陣列(4)； 2)將50mg1-甲基-3-丙基碘化咪卩坐鐵溶解于2?3mL已腈中，攪拌10?20min，之后加入.0.1?0.2g碘化鉀攪拌至溶解，最后加入0.5?2g的聚氧化乙稀，攪拌12h，制備得離子液體凝膠電解質(zhì)； 3)將經(jīng)清洗處理的柔性襯底(7)放入電子束蒸發(fā)設備，以金屬Pt為蒸發(fā)源，控制薄膜的生長速度在0.7?1.1埃米/秒，在柔性襯底(7)上生長Pt導電層(6); 4)將步驟2)的離子液體凝膠電解質(zhì)用玻璃棒均勻地滾涂在步驟I)的ZnO納米陣列(4)上，再將生長有Pt導電層的柔性襯底(7)翻轉(zhuǎn)覆蓋于離子液體凝膠電解質(zhì)層上，用密封膠將透明導電柔性襯底(I)與柔性襯底(7)的邊緣粘合密封，得到基于離子液體凝膠電解質(zhì)的準固態(tài)柔性自供能型ZnO基紫外探測器。
【文檔編號】H01L31/09GK106057956SQ201610506459
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】潘新花, 曾溢宇, 葉志鎮(zhèn), 彭曉麗
【申請人】浙江大學