聚乙烯亚胺作为界面修饰层的TiO2紫外探测器及其制备方法技术

聚乙烯亚胺作为界面修饰层的TiO2紫外探测器及其制备方法，属于半导体光电器件技术领域。探测器由石英衬底、作为光敏层的TiO2薄膜和金属叉指电极组成，其特征在于：TiO2薄膜经羟基化处理，并在其与金属叉指电极之间制备有聚乙烯亚胺界面修饰层。首先，采用溶胶凝胶法制备TiO2薄膜，将制备好的薄膜进行羟基化处理，再将制备好的PEI溶液旋涂在羟基化处理后的TiO2薄膜上，最后采用磁控溅射的方法制备金属叉指电极，从而得到最后的紫外探测器。通过引入PEI作为界面修饰层，可以有效降低势垒的高度，进而改善光电流及响应速度，提高器件的整体性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电器件
，具体涉及一种以TiO2薄膜为基体材料，以非共轭电解质聚乙烯亚胺(PEI)为界面修饰层的TiO2紫外探测器及其制备方法。
技术介绍
紫外探测器作为重要的光电器件，具有极高的应用价值，可广泛应用于环境污染监测、火焰监测、紫外通信、紫外告警及生物细胞病变检测等。目前，紫外探测器的使用环境越来越恶劣，要适应复杂、特殊的环境就要研制出性能优越的器件。为了满足未来探测器的需求，必须采用新型材料，以最大的限度提高器件的性能。在此背景下，宽禁带半导体材料得到了迅猛的发展，该类半导体材料具有物理、化学性能稳定、光学性能良好、材料本身具有可见盲的特性和可在室温下操作等许多优势，这些突出优势显示出了制备紫外探测器的巨大潜力。目前，宽禁带半导体材料主要有TiO2(二氧化钛)、GaN(氮化镓)、ZnO(氧化锌)、ZnS (硫化锌)、diamond(金刚石)、II1-氮族化合物等。由于TiO2具有良好的光电性能、价格低廉、物理、化学性能稳定而备受关注。但TiO2基紫外探测器响应速度及光电流都有待提闻，如何提闻TiO2基紫外探测器性能成为研究的热点问题之一。聚乙烯亚胺(PEI)是一种阳离子非共轭电解质，其水溶液中含有大量质子化的胺基。
技术实现思路
本专利技术的目 的在于提供一种聚乙烯亚胺作为界面修饰层的TiO2紫外探测器及该探测器的制备方法。将PEI旋涂在经过羟基化处理后的TiO2表面作为界面修饰层可以很好的改善紫外探测器件的光电性能。本专利技术采用溶胶凝胶法制备TiO2薄膜，将制备好的薄膜进行羟基化处理，并采用两种羟基化处理方式，一种是将制备好的TiO2薄膜浸泡在KOH的乙二醇溶液中，另一种是将制备好的TiO2薄膜用紫外光照射处理。然后，将制备好的PEI溶液旋涂在羟基化处理后的TiO2薄膜上，由于PEI溶液中含有大量的质子化的胺基能与TiO2表面的羟基发生静电自组装过程，形成一层薄薄的界面偶极子层，再采用磁控溅射的方法制备金属叉指电极，经过剥离处理后得到紫外探测器。通过引入PEI使界面处产生偶极子层，能够有效地改善光电流及响应速度，提高器件的整体性能。本专利技术所述的紫外探测器，由石英衬底、作为光敏层的二氧化钛(TiO2)薄膜(溶胶凝胶法制备)和金属叉指电极(金属为金Au，射频磁控溅射法制备)组成，TiO2薄膜的厚度为100 200nm,金属叉指电极厚度为50 150nm,电极宽度为5 60 μ m,电极间距为5 60 μ m ;其特征在于=TiO2薄膜经羟基化处理，并在其与金属叉指电极之间制备有聚乙烯亚胺(溶液旋涂法制备)界面修饰层，其厚度为I 12nm。本专利技术所述的一种聚乙烯亚胺作为界面修饰层的TiO2紫外探测器的制备方法，其步骤如下:衬底的清洗将石英衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 20分钟，然后烘干； TiO2溶胶凝胶的制备在室温下，将乙醇、去离子水和醋酸配成的混合溶液逐滴滴入到含有钛酸四丁酯、乙醇、乙酰丙酮的溶液中，剧烈搅拌，陈化，进而制得TiO2溶胶； TiO2薄膜的制备将制得的TiO2溶胶以1000 5000rpm的转速旋涂在石英衬底上，匀胶时间为20 50s，共旋涂3 8层，每旋涂一层TiO2溶胶后于100 150°C条件下烘10 30分钟，待冷却后再旋涂下一层；最后将旋涂好的衬底在550 650°C条件下烧结2 5小时，烧结后在衬底上得到锐钛矿型TiO2晶体薄膜； PEI溶液的制备将聚乙烯亚胺加入到去离子水中，搅拌至溶解，配置成质量分数为0.05wt% 10wt%的溶液； KOH溶 液的制备将1 1Og的KOH加入到50 200ml乙二醇溶液中，搅拌至溶解；用KOH溶液浸泡或紫外光照射的方法对旋涂好TiO2薄膜的衬底进行羟基化处理将旋涂好TiO2薄膜的衬底依次放入去离子水、酒精、丙酮、氯仿、丙酮、酒精、去离子水各超声10 20分钟，然后进行羟基化处理。采用两种不同的方法进行羟基化处理，一种方法是将上述超声处理后的衬底放入KOH的乙二醇溶液中浸泡12 30小时，每隔I 2小时搅拌一次；另一种方法是将上述超声处理后的衬底用紫外光照射处理10 50分钟。界面修饰层的制备将羟基化处理过的衬底用去离子水冲净、氮气吹干，旋涂聚乙烯亚胺溶液，转速为1000 5000rpm，匀胶时间25 50s ;然后在50 100°C条件下烘干5 20分钟，从而在TiO2薄膜上得到聚乙烯亚胺界面修饰层；叉指电极的制作主要过程包括旋涂光刻胶、光刻叉指图形、显影及溅射步骤。在聚乙烯亚胺界面修饰层上先旋涂一层厚度为I 2μπι的正型光刻胶，60 100°C条件下前烘10 30分钟；然后在光刻机上，将与插指电极结构互补的掩膜板与旋涂的光刻胶层紧密接触，曝光30 60秒，经过20 50秒的显影，最后在110 130°C下坚膜5 20分钟，从而在聚乙烯亚胺界面修饰层上得到所需要的光刻胶插指电极图形；然后，采用射频磁控溅射技术制备金属电极，溅射靶材为Au靶，将磁控溅射室抽真空至3.0 X 10_3 6.0X KT3Pa ;然后通Ar气，溅射气压为0.5 1.4Pa，溅射功率为70 120W，溅射时间2 10分钟，然后将未曝光的光刻胶超声剥离，从而得到厚度为50 150nm、宽度为5 60 μ m、间距为5 60 μ m的叉指电极；通过以上步骤制备得到金属-半导体(TiO2)-金属平面结构的以聚乙烯亚胺为界面修饰层的TiO2紫外探测器。附图说明图1:本专利技术的器件的结构示意图；图2:未经过PEI修饰的TiO2紫外探测器在310nm紫外光照射下的1-V曲线图；图3:未经过PEI修饰的TiO2紫外探测器的响应时间曲线图；图4:经过紫外光照射处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器在310nm紫外光照射下的1-V曲线图；图5:经过紫外光照射处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器的响应时间曲线图；图6:经过KOH处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器在310nm紫外光照射下的1-V曲线图；图7:经过KOH处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器的响应时间曲线图；如图1所示，器件由石英·衬底UTiO2光敏层2、PEI界面修饰层3、金属叉指电极4组成，紫外光源5经过衬底I照射在TiO2光敏层2上产生光生载流子，再由金属叉指电极收集，由于界面修饰层3的存在使金属半导体接触的势垒降低，起到增大光电流、提高响应速度的作用。如图2所示，曲线I为未经过PEI修饰的TiO2紫外探测器在310nm、82.5 μ ff/cm2紫外光照射下的光电流曲线图，曲线2为未经过PEI修饰的TiO2紫外探测器暗电流曲线图；6V偏压下，暗电流是5.89nA，光电流相对于暗电流提高了约三个数量级。图3为未经过PEI修饰的TiO2紫外探测器的响应时间曲线。如图所示，响应时间分别为:上升时间是1.056s，下降时间是7.824s。如图4所示，曲线I为经过紫外光照射处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器在310nm、82.5μ W/cm2紫外光照射下的光电流曲线图，曲线2为经过紫外光照射处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器暗电流曲线图；6V偏压下，暗电流是4.59nA，光电流相对于暗电流提高了四个数量级。经过紫外光照射处理后旋涂PEI的TiO2紫外探测器与未经PEI修饰的Ti本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚乙烯亚胺作为界面修饰层的TiO2紫外探测器，由石英衬底、作为光敏层的TiO2薄膜和金属叉指电极组成，其特征在于：TiO2薄膜经羟基化处理，并在其与金属叉指电极之间制备有聚乙烯亚胺界面修饰层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阮圣平，谷学汇，孟凡旭，刘彩霞，沈亮，周敬然，郭文滨，温善鹏，董玮，张歆东，刘奎学，陈丽华，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：