生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器制造技术

本实用新型专利技术公开了生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器。所述柔性紫外探测器自下至上依次包括柔性衬底、所述柔性衬底上的一对叉指电极、所述叉指电极上方的石墨烯层以及生长在石墨烯层上面的GaN纳米柱阵列。本实用新型专利技术的柔性紫外探测器一方面利用了石墨烯/GaN纳米柱阵列材料透明、导电和柔性的特点，提高了探测器对光的收集、光电响应灵敏度；另一方面利用了一维纳米柱材料巨大的比表面积和量子限域性，提高了光生载流子的密度和传输时间。本实用新型专利技术实现了紫外探测器的透明化、柔性化，可用于智能穿戴、弯曲显示、柔性传感成像等领域，经济效益可观。

Flexible UV detector based on GaN nanopillar array grown on graphene substrate

【技术实现步骤摘要】
生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器
本技术属于紫外探测器领域，具体涉及生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器。
技术介绍
柔性、可弯曲、便捷化半导体光电子器件以其轻质、灵活柔韧和智能高效等特点将对未来智能穿戴、弯曲显示、可植入器械等带来变革发展。众多光电子器件中，作为光电传感的不可缺少的部件，UV光开关或光电探测器因其在可见光通信、工业自动控制和紫外红外成像等各个领域都具有巨大的应用潜力，在过去几十年来受到了全世界众多研究者的特别关注。目前，使用低维宽带隙半导体纳米材料，如GaN、ZnO和其它金属氧化物纳米结构以开发具有高度增强的响应性和光电导增益的柔性UV光开关或光电探测器，引起了强烈的研究关注。其中，GaN一维纳米阵列材料由于其独特的纳米结构诱导的量子约束效应，如增强的载流子迁移率、优异的光吸收/发射和几乎无位错密度等，成为近年来研究的热点。一方面，一维纳米柱巨大的表面体积比显著增加了光吸收，提高了光生载流子的密度。另一方面，低维纳米结构限制了电荷载流子的活性区域，缩短了载流子传输时间。尽管GaN一维纳米阵列具有巨大的潜力，然而，高性能的GaN一维纳米阵列基器件往往是在刚性的非柔性衬底（如蓝宝石、硅、LiAlO2、MgO等）上制备的，这是因为外延生长此类GaN一维纳米阵列基器件需要非常高的生长温度和晶格相匹配的单晶衬底，而柔性基板（如PET，ITO）上无法直接外延生长此类GaN一维纳米阵列，这种限制严重阻碍了快速增长的相关柔性或可穿戴应用需求[Kuykendall,T.,Pauzauskie,P.J.,Zhang,Y.,Goldberger,J.,Sirbuly,D.,Denlinger,J.andYang,P.Crystallographicalignmentofhigh-densitygalliumnitridenanowirearrays.NatureMaterials,3(2004)524–528.doi:10.1038/nmat1177.]。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，本技术的目的在于提供一种生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器。本技术的目的通过如下技术方案实现。生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，自下至上依次包括柔性衬底、所述柔性衬底上的一对叉指电极、所述叉指电极上方的石墨烯层以及生长在石墨烯层上面的GaN纳米柱阵列。进一步地，所述柔性衬底为PET、PDMS、或ITO材料。进一步地，所述叉指电极为一层Au金属；所述叉指电极的厚度为100~120nm；所述叉指电极的长度为280~300μm，宽度为5~15μm，电极间距为5~20μm，对数为20~24对。进一步地，所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的长度为300~380nm，直径为60~80nm；所述GaN纳米柱阵列的密度为5.0×109~9.0×109/cm2。以上所述的生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：（1）将石墨烯基底置于射频辅助分子束外延（PA-MBE）设备中，在石墨烯表面生长GaN纳米柱阵列，形成GaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构；（2）在步骤（1）所得GaN纳米柱阵列表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）并加热固化，形成PMMA/GaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构；（3）利用湿法刻蚀工艺去除步骤（2）获得的结构的衬底层，得到PMMA/GaN纳米柱阵列/石墨烯复合薄膜，并将PMMA/GaN纳米柱阵列/石墨烯复合薄膜转移至镀上叉指电极结构的柔性衬底上；（4）在步骤（3）转移后的PMMA/GaN纳米柱阵列/石墨烯/电极柔性衬底表面再旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯并加热固化，再用去离子水清洗，然后干燥，最后去除表面的PMMA，烘干，得到生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器。进一步地，步骤（1）中，所述石墨烯是通过一般化学气相沉积（CVD）工艺在铜箔衬底上生长获得或是通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺在SiO2/Si衬底上生长获得的。进一步地，步骤（1）中，所述在石墨烯表面生长GaN纳米柱阵列的工艺条件为：先利用机械泵及分子泵抽真空至生长腔体内压力维持为2×10-9~4×10-9Torr，将衬底温度升至960~980℃，用离子束等效压力（BEP）对Ga的束流进行了精确的测定，然后开始进行生长，所述生长分为两步，第一步，先通入H2/N2等离子体对石墨烯进行氢化和氮化处理，目的是打开石墨烯的C-Csp2键，提供成核更多的位点，时间为3~4min，H2/N2流量设为(1.0~1.5)/(2.5~3.0)sccm，射频等离子体功率为390~400W；第二步，停止通入H2，N2流量设为2.0~2.2sccm，射频等离子体功率设为360~380W，接着开启Ga源束流，Ga-BEP设定为6.5×10-8~7.5×10-8Torr，总生长时间为4.0~4.5h。进一步地，步骤（2）中，PMMA旋涂工艺为：将步骤（1）得到的GaN纳米柱阵列/石墨烯/衬底结构放在匀胶机的转盘上，用1.6~1.8wt%的PMMA溶液涂覆在表面，并设置两步转速：低速400-500rpm，5~6s；高速3500~4000rpm，28~30s；所述加热固化的工艺为：加热温度140~150℃，加热时间为2~3min，使其快速固化。进一步地，步骤（3）中，利用湿法刻蚀工艺去除步骤（2）获得的结构的衬底层的工艺为：若石墨烯是通过一般化学气相沉积工艺在铜箔衬底上生长获得，则采用0.05~0.06g/ml的硝酸铁溶液刻蚀铜箔，时间为10~12h；若石墨烯是通过等离子增强化学气相沉积工艺在SiO2/Si衬底上生长获得的，则采用B.O.E缓冲蚀刻液（49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6~7（体积比））刻蚀二氧化硅，时间为30~45min。进一步地，步骤（4）中，PMMA旋涂工艺为：将步骤（3）转移后的PMMA/GaN纳米柱阵列/石墨烯/电极柔性衬底放在匀胶机的转盘上，用1.6~1.8wt%的PMMA溶液涂覆在表面，并设置两步转速：低速400-500rpm，5~6s；高速3500~4000rpm，28~30s；所述加热固化的工艺为：加热温度95~100℃，加热时间为120~180min，使其缓慢固化，使得第一层PMMA内部的应力得到释放，实现GaN纳米柱阵列/石墨烯与电极柔性衬底的完美贴合，防止裂纹和皱褶的出现。进一步地，步骤（4）中，去除PMMA的工艺为：置于丙酮中浸泡清洗5~6次，每次40~60s，以去除任何残留的PMMA。与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：（1）本技术提供的转移工艺使用了两步PMMA旋涂的工艺，使得PMMA内部的应力得到释放，实现GaN纳米柱阵列/石墨烯与电极柔性衬底的完美贴合，防止裂纹和皱褶的出现，转移后的GaN纳米柱阵列的形貌和转移前的比较几乎没有大的改变，并且可以柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，其特征在于，自下至上依次包括柔性衬底（6）、所述柔性衬底上的一对叉指电极（5）、所述叉指电极上方的石墨烯层（2）以及生长在石墨烯层（2）上面的GaN纳米柱阵列（3）。/n

【技术特征摘要】
1.生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，其特征在于，自下至上依次包括柔性衬底（6）、所述柔性衬底上的一对叉指电极（5）、所述叉指电极上方的石墨烯层（2）以及生长在石墨烯层（2）上面的GaN纳米柱阵列（3）。


2.根据权利要求1所述的生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，其特征在于，所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的长度为300~380nm。


3.根据权利要求1所述的生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，其特征在于，所述GaN纳米柱阵列中GaN纳米柱的直径为60~80nm。


4.根据权利要求1所述的生长在石墨烯基板上GaN纳米柱阵列的柔性紫外探测器，其特征在于，所述GaN纳米柱的密度为5.0×109~9.0×109/cm2。


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【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，郑昱林，王文樑，唐鑫，陈胜，杨昱辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44