基于等离子体激元增强的光电化学光探测器及其制备方法技术

一种光电化学光探测器，所述光电化学光探测器包括光电极，所述光电极包括导电衬底，还包括生长在所述衬底表面的氮化镓(GaN)基纳米线，所述GaN基纳米线表面修饰有一层均匀的纳米颗粒。本发明专利技术还公开了一种光电化学光探测器的制备方法。本发明专利技术的GaN基光电化学光探测器将具有表面等离子体增强效应的金属Rh(或Ag，Au，Al等金属)纳米颗粒修饰于Al

【技术实现步骤摘要】
基于等离子体激元增强的光电化学光探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电探测器
，尤其涉及一种可提高探测性能的基于等离子体激元增强效应的光电化学探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器，即捕获光信号并将其转换为电信号的器件，被广泛应用于成像，通信，传感，计算和新兴可穿戴设备等领域。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面；紫外波段主要用于火焰探测，导弹警报，臭氧监测和非视距光通信等。现有的光探测器大都基于简单的金属-半导体-金属(Metal-Semiconductor-Metal，即MSM)结构，这种光探测器在工作时需要施加外部偏压，不仅耗费电力，在响应度及响应速度方面也有待提高；同时，为了满足不同应用需求，探测器的设计涉及的材料体系和结构纷繁复杂，没有一个统一的设计和制备方法，这为大规模生产适用于各波段的光探测器带来了极大的不便。
[0003]目前的光电化学光探测器主要由光电化学反应衍变而来。光电化学反应即半导体受光照产生光生电子-空穴对，光生电子/空穴于半导体电极发生还原/氧化反应，光生空穴/电子流经外电路至对电极发生氧化/还原反应。该过程中的性能指标光/暗电流比，响应时间与光照波长、强度直接相关，并以此逐步衍生出专用于光探测的光电化学装置。目前光电化学反应的研究热点主要为可见光波段的氧化还原反应，由此衍生出的光电化学光探测器也以可见光探测为主。现有的红外光波段和紫外光波段光电化学光探测器因半导体材料晶体质量差，氧化还原反应速率慢等原因，整体性能极差，需要基于材料创新来提升其整体探测性能。
[0004]从光电化学光探测器的原理出发，有两种策略可增强其探测性能。第一，在其纳米线表面复合助催化剂，提高其氧化还原的反应速率，可获得更高的光响应度。第二，提高纳米线自身的光生载流子产生量，从而达到提升光响应度的目的。本专利技术拟采用第二种方法，通过表面等离子体近场增强效应，提高纳米线内部光生载流子总量。表面等离子体激元效应对于半导体，有两方面的作用。第一，在光照的作用下，表面等离子体激元金属附近会产生电场，该电场可加速半导体中电子-空穴对(即光生载流子)的形成。第二，在光照的作用下，表面等离子体激元金属中会激发出热电子。热电子可以克服金属与半导体间的势垒，注入半导体，从而提高光生载流子数目。
[0005]传统的表面等离子体增强光电器件(发光二极管、固态光探测器)通常根据对应的光波长来选择相应的等离子体金属种类及结构。此类光电器件所用的等离子体金属绝大多数由微纳加工或高温煅烧金属薄膜制成，有相当大的劣势。如粒径过大，颗粒分布不均，高温煅烧造成掺杂等，不利于提高器件性能。传统光电器件主要关注的是大粒径(大于30nm)等离子体金属的散射效应，而并未关注小颗粒等离子体金属的热电子注入与近场增强效应，未完全开发出等离子体增强效应在光电器件的应用潜力。与此对应，在光电化学领域人
们已经对此展开了大量工作，细致研究了等离子体金属的热电子注入效应与近场增强效应，取得了重大进展。但是，光电化学主要关注的是可见光，以致对应等离子体增强效应的研究集中在可见光及近紫外UVA波段。将光电化学领域中关于等离子体激元增强效应的研究推广到全波段光响应，应用于新型光电器件，推广到传统光电器件具有重要意义。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种可提高探测性能的光电化学探测器及其制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
[0007]为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种光电化学光探测器，所述光电化学光探测器包括光电极，所述光电极
[0008]包括导电衬底，
[0009]导电衬底为导电的基于半导体材料的衬底，包括导电的硅衬底和固态金属衬底包括金属钼衬底，
[0010]还包括生长在所述衬底表面的GaN基纳米线，所述GaN基纳米线表面修饰有一层均匀的纳米颗粒。
[0011]其中，所述纳米颗粒为具有等离子体激元增强效应的金属纳米颗粒。
[0012]其中，所述光电化学光探测器还包括：
[0013]与所述光电极接触的电解质溶液，所述电解质溶液采用I-/I
3-电解质溶液体系；
[0014]与所述电解质溶液接触的对电极，所述对电极采用铂网电极。
[0015]其中，所述光电化学光探测器还包括夹层结构，所述夹层结构为光电极和对电极所在的两块石英玻璃和两块石英玻璃四周的环氧树脂组成的结构。
[0016]其中，通过控制生长或者合成所述GaN基纳米线过程中的工艺参数，即能够实现不同B，Al，In，Ga，N元素占比的纳米线，调控纳米线中B，Al，In，Ga占比，就能够精确控制纳米线禁带带隙宽度，实现红外、可见光和紫外的全波段光吸收。
[0017]作为本专利技术的另一方面，提供了一种如上所述的光电化学光探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0018]根据生产需求确定纳米线组分；
[0019]生长合成纳米线；
[0020]于纳米线表面修饰具有等离子体增强效应的金属纳米颗粒；
[0021]制作光电极和制作对电极；
[0022]制作夹层结构；
[0023]电解质溶液注入和封孔，至此便完成了光电化学光探测器的制备。
[0024]其中，所述于纳米线表面修饰具有等离子体激元增强效应的金属纳米颗粒的方法包括光沉积、原子层沉积、浸渍法和滴注法。
[0025]其中，所述制作光电极具体包括以下步骤：
[0026]在没有生长纳米线的导电衬底的背面涂上液态Galn合金，形成导电接触；
[0027]在铜条上涂抹银胶，并将其与涂有Galn合金的衬底面压实；
[0028]用环氧树脂封装电极，仅留GaN基纳米线暴露在空气中；
[0029]将电极用环氧树脂固定在石英玻璃上，做成光电极；和/或
[0030]所述制作对电极具体包括以下步骤：
[0031]利用打孔机在石英玻璃上打孔，用于后续电解质溶液注入；
[0032]将铂网电极通过紫外固化环氧树脂粘连，固定在石英玻璃板上，做成对电极。
[0033]其中，所述制作夹层结构具体包括以下步骤：
[0034]将做好的光电极玻璃板和对电极玻璃板用乙醇棉擦洗多次，除去电极周围的污迹；
[0035]在经过擦洗并干燥的光电极玻璃板边缘手动涂上紫外固化环氧树脂；
[0036]将对电极放在涂好紫外固化环氧树脂的光电极上，在紫外光灯下进行曝光，使紫外固化环氧树脂凝固，从而完成夹层结构的封装过程。
[0037]其中，所述电解质溶液注入和封孔的步骤利用注射器注入电解质溶液，具体包括以下步骤：
[0038]注射器中吸取足够的电解质溶液通过小孔注入电解质溶液直至电解质溶液充满；
[0039]使用紫外固化环氧树脂封闭小孔，完成光电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电化学光探测器，其特征在于，所述光电化学光探测器包括光电极，所述光电极包括导电衬底，导电衬底为导电的基于半导体材料的衬底，包括导电的硅衬底和固态金属衬底包括金属钼衬底，还包括生长在所述衬底表面的氮化镓基纳米线，所述氮化镓基纳米线表面修饰有一层均匀的纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的光电化学光探测器，其特征在于，所述纳米颗粒为具有等离子体激元增强效应的金属纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的光电化学光探测器，其特征在于，所述光电化学光探测器还包括：与所述光电极接触的电解质溶液，所述电解质溶液采用I-/I
3-电解质溶液；与所述电解质溶液接触的对电极，所述对电极采用铂网电极。4.根据权利要求3所述的光电化学光探测器，其特征在于，所述光电化学光探测器还包括夹层结构，所述夹层结构为光电极和对电极所在的两块石英玻璃和两块石英玻璃四周的环氧树脂组成的结构。5.根据权利要求1所述的光电化学光探测器，其特征在于，通过控制生长所述GaN基纳米线过程中的工艺参数，即能够实现合成不同B、Al、In、Ga、N元素占比的纳米线，调控Al
x
Ga
1-x
N，In
x
Ga
1-x
N，In
y
Al
x
Ga
1-x-y
N，B
x
Al
y
Ga
1-x-y
N，B
x
In
y
Ga
1-x-y
N，其中0≤x≤1，0≤y≤1；纳米线中B、Al、In、Ga占比，就能够精确控制纳米线的禁带宽度，实现对应波长红...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海定，汪丹浩，刘鑫，康阳，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：