一种超宽谱光探测器制造技术

本发明专利技术公开一种超宽谱光探测器。该探测器包括光敏材料和电极，其中光敏材料为自支撑还原氧化石墨烯薄膜，电极为金属。探测器结构是使自支撑还原氧化石墨烯薄膜处于悬空状态，金属电极与还原氧化石墨烯薄膜连接即可。该探测器工作在室温空气中；探测谱段范围广，可实现从紫外至太赫兹光谱范围的探测；探测器对从紫外至太赫兹的所有谱段的响应速度快，均为毫秒量级；制备简单、成本低廉，在实际应用中具有广阔前景。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽谱光探测器
本专利技术涉及光电子
，更具体地，涉及一种超宽谱光探测器。
技术介绍
宽谱光探测在红外成像、遥感、天文探测、光谱分析等领域有广泛而重要应用。目前，为了实现宽谱探测，把适于探测不同波段的多个探测器集成在一起，并且，确保这些探测器同步工作，导致宽谱光探测系统的结构复杂。许多研究工作致力于宽谱光探测器，目前，大多数的宽谱光探测器的探测谱宽能覆盖从紫外至可见光、或者是覆盖可见光至近红外，很少有能覆盖从紫外至太赫兹的宽谱光探测器。着眼于此，本专利技术提出了一种新的能覆盖从紫外至太赫兹的超宽谱光探测器。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种超宽谱光探测器。本专利技术提出的这种超宽谱光探测器，探测谱段可以覆盖从紫外至太赫兹。而且，本专利技术的探测器对从紫外至太赫兹的所有谱段的响应速度快，均为毫秒量级。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种超宽谱光探测器，所述探测器包括光敏材料和电极；所述光敏材料为自支撑还原氧化石墨烯薄膜，所述电极为金属电极；所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜处于悬空状态，金属电极与自支撑还原氧化石墨烯薄膜连接即构成超宽光谱探测器。所述探测器结构是自支撑还原氧化石墨烯薄膜处于悬空状态指自支撑还原氧化石墨烯薄膜不放置在任何衬底上。优选地，本专利技术所述超宽谱光探测器中的光敏材料自支撑还原氧化石墨烯薄膜的制备方法包括如下步骤：1)将氧化石墨烯分散于乙醇中，配制成质量浓度为0.2～1.0mg/mL的氧化石墨烯分散液；2)将步骤1)制得的氧化石墨烯分散液滴涂在具有微纳结构的基底上，制得铺展在具有微纳结构的基底上的氧化石墨烯薄膜；3)将所述铺展在具有微纳结构的基底上的氧化石墨烯薄膜在空气中自然晾干后，置于氩气和氢气的混合气氛中，保持气压50～500Pa、200～1000℃热处理2～5h，制得与具有微纳结构的基底相同面积、相同形状、且能从基底上完整脱离的自支撑还原氧化石墨烯薄膜。采用上述制备方法制得的自支撑还原氧化石墨烯薄膜厚度在几百纳米；薄膜导电性好，薄膜电阻50Ω//sq。该自支撑还原氧化石墨烯薄膜特征为：薄膜厚度较薄，膜厚几百纳米显著小于常用的真空抽滤法制备的自支撑还原氧化石墨烯薄膜的厚度；薄膜导电性好，薄膜电阻50Ω/sq；薄膜平均光吸收率为60％左右；薄膜中的氧化石墨烯的还原程度受热处理温度调控，热处理温度越高薄膜中氧化石墨烯的还原程度越高。优选地，步骤2)中，滴涂的具体过程为：滴涂分多个循环完成，每个循环滴涂2～3次，每次滴涂按照每平方厘米基底25～35μL取液，每个循环需干燥后再进行下一个循环。滴涂分成多个循环，每个循环又分成多次，主要是因为这种多循环多次地滴涂方式利于氧化石墨烯片在基底上充分地进行层层自组装而形成致密的薄膜，使得膜厚即使薄至纳米量级也能实现自支撑。至于每个循环中滴涂的次数和每次滴涂的取液量，是考虑到基底对溶液的承载能力，在确保溶液不溢出基底的前提下，实验得出的经验值。优选地，所述具有微纳结构的基底指表面具有微米级或纳米级或微纳米级共存的微观结构的基底。由于石墨烯是二维平面材料，如果使用平坦的平面基底，那么石墨烯片与基底之间是面-面接触，与基底之间作用力较强；而石墨烯片与片之间也是面-面接触，这样，石墨烯片与基底的作用力和石墨烯片片之间的作用力相当，在热处理过程中，由于石墨烯片片之间的作用力难以克服石墨烯片与基底之间的作用力，导致石墨烯薄膜破碎成若干碎片，无法形成完整的薄膜。而使用表面具有微米级或纳米级或微纳米级共存的微观结构的基底时，由于微观结构的存在，使得石墨烯与基底之间是面-点接触，石墨烯与基底之间作用力较弱，而石墨烯片与片之间仍是面-面接触，这样，石墨烯片片之间的作用力显著强于石墨烯片与基底的作用力，在热处理过程中，石墨烯片片之间的作用力很容易克服石墨烯片与基底之间的作用力，从而获得完整的、从基底上脱离的石墨烯薄膜。因此，微纳结构基底对于薄膜的完整性、自支撑性具有关键性作用。更优选地，所述具有微纳结构的基底指表面具有微米级或纳米级或微纳米级共存的微观结构的能够耐受200～1000℃的硅、石英、玻璃、陶瓷、不锈钢、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼或者磷化硅基底。最优选地，所述具有微纳结构的基底优选硅纳米线阵列基底。硅纳米线阵列基底最容易制备：采用硅片为原料经过化学刻蚀即可制得具有纳米线阵列结构的基底。并且制得的纳米线阵列中的每根纳米线的直径在百纳米左右，这样，石墨烯与纳米线之间的面-点接触尺寸在百纳米量级，接触面积非常小，接触面积越小石墨烯片与基底之间的作用力越弱，远远弱于石墨烯片片之间的作用力，因此，在热处理过程中，石墨烯片片之间的作用力很容易克服石墨烯片与基底之间的作用力，使得薄膜很容易从基底上完整地脱离下来，薄膜的完整性和自支撑性都非常好。优选地，步骤3)中，所述氩气和氢气的混合气氛中氩气的体积百分比为95％，氢气的体积百分比为5％。采用如上所述的制备方法制备得到的自支撑还原氧化石墨烯薄膜，所述薄膜的导电性好，当制备过程中的热处理温度大于800℃时，所述薄膜的电阻小于50Ω/sq。导电性显著好于化学氧化还原法制得的还原氧化石墨烯薄膜。进一步地，所述薄膜的光吸收率较大，当制备过程的热处理温度为1000℃时，所述薄膜的平均光吸收率为60％。所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜无需基底支撑；薄膜厚度较薄；薄膜的导电性好；薄膜的光吸收率较大；薄膜中氧化石墨烯的还原程度受热处理温度调控。所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜无需基底支撑，指薄膜可以完整地从制备基底上脱离下来，作为独立个体使用。所述薄膜厚度较薄，指膜厚为几百纳米，膜厚显著小于常用的真空抽滤法制备的自支撑还原氧化石墨烯薄膜的厚度。所述薄膜中氧化石墨烯的还原程度受热处理温度调控，指热处理温度越高薄膜中的氧化石墨烯的还原程度越高。本专利技术中所述电极材料可以为常用作电极的所有金属或合金；电极结构可以是叉指可以是平行也可以是其他结构，不拘泥于某种结构，只要能实现与石墨烯薄膜的有效连接但又不完全覆盖石墨烯薄膜即可。优选地，所述金属电极为叉指金电极、叉指铜电极或者镍平行电极。采用上述制备方法得到的自支撑还原氧化石墨烯薄膜作为光敏材料，采用金属电极作为电极制成的探测器，探测光谱范围广，可实现从紫外至太赫兹光谱范围的探测；探测器对从紫外至太赫兹的所有谱段的响应速度快，均为毫秒量级。在一个具体的实施例中，所述原料氧化石墨烯的制备方法如下：采用改进的Hummers方法，取石墨0.7～1g，98％浓H2SO45～8mL，1～3gK2S2O8和1～3gP2O5，混合后置于油浴中80℃加热3～5h；自然冷却后洗涤至中性即pH值接近7；在60℃烘箱中烘干，得到预处理石墨。将预处理石墨放入250mL烧瓶中加入0.2～1gNaNO3，98％浓H2SO420～30mL，置于0℃冰水浴中反应100～150min；在20～40min内缓慢地加入1～3gKMnO4，完成后在冰水浴中冷却，再置于30～40℃下搅拌100～150min；在20～40min内缓慢加入30～50mL去离子水，保持30～40℃下搅拌100～150min，加入30～50mL去离子水和3～7mLH2O2；用4～7％HCl洗3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽谱光探测器，其特征在于：所述探测器包括光敏材料和电极；所述光敏材料为自支撑还原氧化石墨烯薄膜，所述电极为金属电极；所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜处于悬空状态，金属电极与自支撑还原氧化石墨烯薄膜连接即构成超宽光谱探测器。

【技术特征摘要】
1.一种超宽谱光探测器，其特征在于：所述探测器包括光敏材料和电极；所述光敏材料为自支撑还原氧化石墨烯薄膜，所述电极为金属电极；所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜处于悬空状态，金属电极与自支撑还原氧化石墨烯薄膜连接即构成超宽光谱探测器。2.根据权利要求1所述的一种超宽谱光探测器，其特征在于，所述自支撑还原氧化石墨烯薄膜的制备方法包括如下步骤：1)将氧化石墨烯分散于乙醇中，配制成质量浓度为0.2～1.0mg/mL的氧化石墨烯分散液；2)将步骤1)制得的氧化石墨烯分散液滴涂在具有微纳结构的基底上，制得铺展在具有微纳结构的基底上的氧化石墨烯薄膜；3)将所述铺展在具有微纳结构的基底上的氧化石墨烯薄膜在空气中自然晾干后，置于氩气和氢气的混合气氛中，保持气压50～500Pa、200～1000℃热处理2～5h，制得与具有微纳结构的基底相同面积、相同形状、且能从基底上完整脱离的自支撑还原氧化石墨烯薄膜。3.根据权利要求2所述的一种超宽谱光探测器，其特征在于：步骤2)中，滴涂的具体过程为：滴涂分多个循环完...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺军辉，曹阳，孙家林，杨花，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11