钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于半导体材料技术领域，具体为钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜及其制备方法和应用。本发明专利技术的异质结二维薄膜的制备方法包括：利用溶胶凝胶法制备四方相钛酸钡薄膜；利用溶胶凝胶法制备介孔二氧化钛溶胶溶液；用旋涂法制备钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜；高温焙烧以除去杂质并晶化；制得的钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜具有优异光响应性，可用于构建高性能紫外光电探测器件。本发明专利技术制备方法简便安全、成本低、产量高；构建的紫外光电探测器件在310 nm的入射光照时的响应度可达8.53*10

【技术实现步骤摘要】
钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体材料
，具体涉及钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜及其制备方法和在紫外光电探测器件中的应用。

技术介绍

[0002]近年来，紫外光电探测技术已被广泛应用于民事和军事领域诸如生物医疗分析、环境检测、火灾报警、紫外光制导、紫外光告警、紫外光通讯等领域。紫外光探测器展出的巨大市场应用前景引起了研究人员的广泛关注，并促使各国研究机构对其投入大量资金支持。目前，典型的紫外光电探测器由半导体材料特别是宽禁带的半导体作为光电材料，两端设计电极构成。光电性能基于半导体的光电效应，载流子的有效利用率代表着材料将光能转化为电能的能力。光生载流子快速的分离和有效的输运是提升光电探测器性能的重要机制。
[0003]二氧化钛（TiO2）优异的化学惰性、低毒性和光电导特性使TiO2基UV PD成为目前最有前途、安全可靠的光电探测器之一。目前，研究人员主要集中于设计TiO2的p
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n 结以促进光生载流子的分离。例如，徐及其同事利用阳极氧化工艺制备p
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CuZnS/n
‑
TiO2构建纤维状UV PD，该器件在 0 V偏压下显示出自驱动特性（Adv. Mater. 2018, 30, 1803165）。郑等人随后研究报道了一种无机
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有机p
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n异质结TiO2/P3HT（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001604），尽管这种光电探测器表现出自供电特性，但仍需修饰Au纳米粒子对其进行改性，以进一步提高响应度和选择性。利用p
‑
n结构建的紫外光电探测器已取得了诸多有益进展。然而，p
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n 结等传统异质结通常存在微观形貌不可控、界面结晶质量差等问题，必造成载流子的输运路径受限、有效利用率降低，导致紫外光电探测器的响应度、探测率、稳定性等性能的下降。因此，如何设计开发新型优质的界面结构以改善光生载流子的输运路径、提升载流子有效利用率、优化光电性能和探测稳定性仍然是器件紫外光电探测器亟待解决的问题。
[0004]前期大量研究表明功能性TiO2介孔材料独特微观结构有利于电荷载流子的产生和收集，可以有效抑制电子
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空穴的复合。目前，功能性介孔TiO2的研究主要集中于光电能量转换的设计。例如，Giordano等人证明太阳能电池中的Li掺杂介孔TiO2电极表现出超强的电荷特性，可以减少电子陷阱状态（Nat. Commun., 2016, 7, 10379.），从而实现更快的电荷传输。然而，却鲜有基于TiO2介孔薄膜构建紫外光电探测的研究。一方面，薄膜型UV PD中耗尽层的形成对响应时间和电导率具有很大的影响。另一方面，高结晶光电材料是实现高性能UV PD的另一个关键因素。基材的表面特性对介孔排列和结晶度起着关键作用。因此，选取晶格适配基底设计制备高结晶性TiO2介孔薄膜，以此调控促进界面载流子分离，提高紫外光电探测性能是TiO2基UV PD亟待解决的难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种性能优异的钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜及
其制备方法和在紫外光电探测器件中的应用。
[0006]本专利技术利用界面组装策略，通过旋涂和原位退火工艺在BaTiO3薄膜表面组装TiO2介孔薄膜（记为BTO@mTO），通过铁电薄膜的本征自极化引入稳定的内建电场，耗尽层可以通过铁电相BaTiO3薄膜的内置电场来调节，即在界面处形成内建电场可调控光生载流子的分离效率和输运能力，实现具有自驱动功能的高性能紫外光电探测系统。
[0007]本专利技术提供的钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜的制备方法，具体步骤如下：（1）利用溶胶凝胶法制备四方相钛酸钡薄膜；（1.1）将异丙醇、醋酸、钛醇盐，按照一定体积比例混合均匀，将表面活性剂按照一定的质量比例添加至混合溶液中，室温搅拌至形成透明溶液；（1.2）一定质量的金属钡盐溶解于去离子水中形成均匀透明溶液，然后逐滴加入到步骤（1.1）得到的透明混合溶液中，室温搅拌，直至为澄清透明溶液，得到钛酸钡溶胶溶液；（1.3）量取一定体积步骤（1.2）钛酸钡溶胶溶液，利用旋涂法，调控旋涂转速和时间在清洁干燥的基底表面旋涂一层厚度均匀的钛酸钡凝胶薄膜；（1.4）将步骤（1.3）制备得到的钛酸钡凝胶薄膜置于马弗炉，空气气氛中在不同焙烧温度条件下钛酸钡薄膜晶化，并除去薄膜中的表面活性剂和杂质，制备得到高结晶性的四方相钛酸钡薄膜；（2）利用溶胶凝胶法制备介孔二氧化钛溶胶溶液；（2.1）将无水乙醇和两种强酸按一定体积比例混合均匀，其中强酸需要逐滴加入，并不断搅拌，得到混合溶剂；（2.2）将表面活性剂按照一定摩尔比例加入步骤（2.1）的混合溶剂中，然后置于油浴加热，并不断搅拌，反应一定时间，得到澄清透明溶液；（2.3）将钛醇盐按一定的摩尔比例逐滴加入步骤（2.2）的混合溶液中，油浴加热，并不断搅拌，反应一定时间，获得澄清透明二氧化钛溶胶溶液；（3）用旋涂法制备钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜；量取一定体积步骤（2.3）中制备的二氧化钛溶胶溶液，利用旋涂工艺，调控旋涂转速和时间，在步骤（1.4）制得的钛酸钡薄膜上旋涂一层厚度均匀的二氧化钛凝胶薄膜层；（4）高温晶化处理将步骤（3）制备得到的样品置于马弗炉中，空气气氛下，调节升温速率，通过焙烧以除去薄膜中表面活性剂和杂质，并晶化二氧化钛薄膜，制得钛酸钡/介孔二氧化钛二维纳米薄膜，记为BaTiO3@mTiO2，简记为BTO@mTO。
[0008]进一步地：步骤（1.1）中，所述异丙醇、醋酸、醇钛盐按体积比例范围为20 : 7 :6
ꢀ‑
40 : 2 :1（（20
‑
40）:（7
ꢀ‑
2）:（6
ꢀ‑
1）；表面活性剂与异丙醇的质量比范围1 :（50
‑
200）；表面活性剂种类包括：PVP，CTAB等；步骤（1.2）中，所述金属钡盐与醇钛盐按化学计量摩尔比例1：（0.8
‑
1.2）（优选1；1）添加，去离子水与步骤（1.1）中异丙醇的体积比例为1：（3.5
‑
4.5（优选1:4），其中，金属钡盐的种类为醋酸钡或硝酸钡；步骤（1.3）中，所述的钛酸钡溶胶溶液的旋涂转速范围为1500 rpm
‑
5000 rpm，旋
涂时间范围为：10 s
‑
60 s；钛酸钡凝胶薄膜的厚度为100 nm
ꢀ‑
200 nm。基底材料包括：石英、云母；步骤（1.4）中，所述的钛酸钡凝胶薄膜热处理过程中，控制升温速率为：1 ℃/min
‑
10 ℃/min，焙烧温度范围为300℃
‑
1000℃。
[0009]步骤（2.1）中，所述混合液中无水乙醇与的体积比例范围为：10：1*10
‑4：1*10
‑5‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）利用溶胶凝胶法制备四方相钛酸钡薄膜；（1.1）将异丙醇、醋酸、钛醇盐混合均匀，将表面活性剂添加至混合溶液中，室温搅拌至形成透明溶液；（1.2）将金属钡盐溶解于去离子水中形成均匀透明溶液，然后逐滴加入到步骤（1.1）得到的透明混合溶液中，室温搅拌，直至为澄清透明溶液，得到钛酸钡溶胶溶液；（1.3）将步骤（1.2）钛酸钡溶胶溶液，利用旋涂法，在清洁干燥的基底表面旋涂一层厚度均匀的钛酸钡凝胶薄膜；（1.4）将步骤（1.3）制备得到的钛酸钡凝胶薄膜置于马弗炉中，空气气氛下高温焙烧，使钛酸钡薄膜晶化，并除去薄膜中的表面活性剂和杂质，得到高结晶性的四方相钛酸钡薄膜；（2）利用溶胶凝胶法制备介孔二氧化钛溶胶溶液；（2.1）将无水乙醇和两种不同的强酸混合均匀，其中强酸为逐滴加入，并不断搅拌，得到混合溶剂；（2.2）将表面活性剂按照摩尔比例加入步骤（2.1）的混合溶剂中，然后置于油浴加热，并不断搅拌，反应，得到澄清透明溶液；（2.3）将钛醇盐按摩尔比例逐滴加入步骤（2.2）的混合溶液中，油浴加热，并不断搅拌，反应，获得澄清透明二氧化钛溶胶溶液；（3）用旋涂法制备钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜；量取步骤（2.3）中制备的二氧化钛溶胶溶液，利用旋涂工艺，调控旋涂转速和时间，在步骤（1.4）制得的钛酸钡薄膜上旋涂一层厚度均匀的二氧化钛凝胶薄膜层；（4）高温晶化处理将步骤（3）制备得到的样品置于马弗炉中，空气气氛下，调节升温速率，通过焙烧以除去薄膜中表面活性剂和杂质，并晶化二氧化钛薄膜，制得钛酸钡@介孔二氧化钛异质结二维薄膜，记为BaTiO3@mTiO2。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1.1）中，所述异丙醇、醋酸、醇钛盐按体积比例为（20
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40）:（7
ꢀ‑
2）:（6
ꢀ‑
1）混合；所述表面活性剂与异丙醇的质量比范围1 :（50
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200）；表面活性剂选自PVP、CTAB；步骤（1.2）中，所述金属钡盐与醇钛盐按化学计量摩尔比例1：（0.8
‑
1.2）添加，去离子水与步骤（1.1）中异丙醇的体积比例为1：（3.5
‑
4.5），其中，所述金属钡盐为醋酸钡或硝酸钡。3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：方晓生，苏莉，李自清，曹发，刘欣亚，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：