一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件，包括金电极、柔性基底、以及分布在柔性基底上的氧化锌链状结构阵列；其中，所述氧化锌链状结构是由底面面积为0.9

【技术实现步骤摘要】
一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微电子器件领域。更具体地，涉及一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]无机氧化锌半导体材料由于其优异的光电性质，在光电领域一直广受关注。与无序排列的结构相比，有序可控的氧化锌阵列，在器件制备和应用方面更具优势。目前的氧化锌基光电器件一般是通过光刻的方法进行材料阵列的制备。通过在外延的氮化镓基底上均匀的旋涂一层光刻胶，通过设计好的掩膜版进行阵列曝光，最后通过液相法或气相法，实现氧化锌阵列和器件的制备。但是由于传统的光刻制备方法，其加工过程比较复杂，而且加工设备昂贵，成本很高，限制了其大规模的应用。
[0003]因此，需要提供一种尺寸可控且制备方法简单有效、成本低廉的氧化锌基光电器件。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于提供一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件，该光电器件中的氧化锌链状结构阵列可以有效抑制暗电流，同时吸附更多的氧气，在光照条件下产生更大的光电流，具有较一般单晶氧化锌纳米线或纳米棒更高的开关比和响应率，分别达到了1.02
×
105和2.3
×
104A W-1
。
[0005]本专利技术的另一个目的在于提供一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件的制备方法。
[0006]为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件，包括金电极、柔性基底、以及分布在柔性基底上的氧化锌链状结构阵列；
[0008]其中，所述氧化锌链状结构是由底面面积为0.9-4.2μm2，高度为200-500nm的氧化锌微柱连接形成的，相邻两个氧化锌微柱底面重叠部分的面积占底面面积的0.3％-20％。
[0009]需要说明的是，本专利技术中所述的相邻两个氧化锌微柱底面重叠部分的面积指的是氧化锌微柱和其一侧相邻的另一个氧化锌微柱底面重叠的部分的面积。本领域技术人员可以理解的是，在一个氧化锌链状结构中，除首尾两个氧化锌微柱之外，其他氧化锌微柱都与其相邻的其他两个氧化锌微柱发生了相互连接，即除首尾之外的氧化锌微柱的底面都与其他相邻的两个氧化锌微柱底面发生了重叠，所以就单个氧化锌微柱来说，其发生重叠的底面面积的占比为0.6％-40％。
[0010]本专利技术中氧化锌链状结构中的氧化锌微柱之间发生连接，连接重叠部分存在有晶界，晶界的存在可以在很大程度上可以抑制暗电流的产生，且相对单晶氧化锌纳米线或纳米棒较粗糙的表面，晶界处可以吸附更多的氧气，在光照条件下产生更大的光电流。因此，
相邻两个氧化锌微柱底面重叠部分的面积在底面面积中的占比，即晶界部分的大小对于光电器件的性能有重要影响。同时，单个氧化锌微柱的底面面积对光电器件的表面能带具有调控作用，因此，选取合适的单个氧化锌微柱的底面面积也至关重要。
[0011]优选地，所述氧化锌链状结构阵列中相邻氧化锌链状结构之间的间距为5-10μm。合理的间距可以确保氧化锌微柱在形成链状结构的过程中，不会与相邻的链状结构连接起来，保证阵列结构的有序。
[0012]优选地，所述金电极包括厚度为10-30nm的铬层和厚度为50-200nm的金层。
[0013]优选地，所述柔性基底的材料选自聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)。柔性基底，可以使光电器件实现为未来可穿戴设备中光电器件的集成提供了一种实现方法。
[0014]本专利技术采取下述技术方案来实现第二个目的：
[0015]一种如上所述光电器件的制备方法，包括以下步骤：
[0016]1)在分布有氧化锌微柱阵列的氮化镓基底表面涂覆一层柔性基底材料，加热固化，浸入液氮中冷却，将形成的柔性基底从氮化镓表面剥离，得到分布有氧化锌微柱阵列的柔性基底；
[0017]2)将分布有氧化锌微柱阵列的柔性基底放入氧化锌前驱体溶液中，加入表面活性剂，进行水热反应，形成氧化锌链状结构阵列；然后在氧化锌链状结构阵列表面蒸镀金电极，得到氧化锌基光电器件。
[0018]步骤1)中，柔性基底材料在交联剂的作用下，经过加热固化后形成完整的基底，浸入液氮中利用氮化镓与氧化锌材料之间热膨胀系数的差异，在氧化锌与氮化镓的接触面位置会产生内应力，这种内应力会使氧化锌晶体沿(0001)面发生解离使得氧化锌微柱阵列从氮化镓基底上转移至柔性材料基底上。优选地，步骤1)中的加热固化是在80-150℃下加热固化5-20min；优选地，步骤1)中浸入液氮中冷却的时间为15-30min。优选地，当柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)时，其与交联剂的质量比为10:1。
[0019]步骤2)中，为防止柔性基底在水热反应过程中发生卷曲，影响氧化锌链状结构的形成，可将分布有氧化锌微柱阵列的柔性基底先固定在一块平整的玻璃基板上，然后再放入氧化锌前驱体溶液中。为了使得相邻的氧化锌微柱可以形成链状结构，同时不会使链状结构之间发生相互联系，需要控制水热反应的时间、温度以及加入表面活性剂来调控氧化锌晶体的生长过程。优选地，步骤2)中的水热反应的温度为70-90℃，反应时间为60-180min；进一步优选地，步骤2)中表面活性剂为柠檬酸三钠，加入的剂量为0.5-2mg/10mL。
[0020]氧化锌前驱体溶液对于制备过程有重要的影响，优选地，本专利技术中，步骤2)中表面活性剂为柠檬酸三钠，加入的剂量为0.5-2mg/10mL。
[0021]优选地，本专利技术中分布有氧化锌微柱阵列的氮化镓基底的制备过程为：在模板表面滴加氧化锌前驱体溶液，然后在其上覆盖氮化镓基底，形成一个三明治结构；烘干使溶剂挥发，氮化镓基底上形成氧化锌前驱体阵列；接着在其上旋涂一层二氧化钛溶液，形成一层掩膜；然后将其置于氧化锌前驱体溶液中，进行水热反应，氧化锌前驱体阵列逐渐溶解，在相同位点同时形成氧化锌微柱阵列。
[0022]在具体的应用过程中，所述模板优选为硅柱模板，其制作过程为：利用光刻技术，按照所需尺寸，制备出硅柱阵列结构。此时，制备得到的硅柱阵列结构中硅柱的尺寸以及间
距分布会影响后续得到的光电器件上氧化锌链状结构阵列分布，因此，在设定时，要确保链状结构的形成，同时避免链状结构间产生连接，形成薄膜结构。
[0023]制备得到的硅柱模板需要进行不对称性浸润处理，如图1所示，具体为：a.首先用氧等离子体处理硅柱表面，使硅柱表面呈现亲水状态；b.将光刻胶SU8旋涂在玻璃基板上，然后将硅柱模板倒扣在玻璃基板上；c.使得光刻胶附着在模板上的硅柱顶端，形成一层保护层；d.将硅柱模板与氟硅烷一起放入真空干燥器中进行高温反应，汽化的氟硅烷分子会附着在硅柱模板表面，使得硅柱模板的表面呈现一种疏水的状态；e.用丙酮洗去硅柱顶端的光刻胶，使得亲水的硅柱顶端暴露出来。优选地，所述氟硅烷为十七氟癸基三甲氧基硅烷，在真空干燥器中修饰温度为90℃，时间为2h。
[0024]氮化镓基底上形成氧化锌前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有柔性基底的尺寸可控的氧化锌基光电器件，其特征在于，包括金电极、柔性基底、以及分布在柔性基底上的氧化锌链状结构阵列；其中，所述氧化锌链状结构是由底面面积为0.9-4.2μm2，高度为200-500nm的氧化锌微柱连接形成的，相邻两个氧化锌微柱底面重叠部分的面积占底面面积的0.3％-20％。2.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述氧化锌链状结构阵列中相邻氧化锌链状结构之间的间距为5-10μm。3.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述金电极包括厚度为10-30nm的铬层和厚度为50-200nm的金层。4.根据权利要求1所述的光电器件，其特征在于，所述柔性基底的材料选自聚二甲基硅氧烷或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。5.一种如权利要求1-4任一所述光电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在分布有氧化锌微柱阵列的氮化镓基底表面涂覆一层柔性基底材料，加热固化，浸入液氮中冷却，将形成的柔性基底从氮化镓表面剥离，得到分布有氧化锌微柱阵列的柔性基底；2)将分布有氧化锌微柱阵列的柔性基底放入氧化锌前驱体溶液中，加入表面活性剂，进行水热反应，形成氧化锌链状结构阵列；然后在氧化锌链状结构阵列表面蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：李豪豪，吴雨辰，江雷，
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：