基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器及其制备方法技术

一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器及其制备方法，属于紫外光电探测技术领域。其从下到上由石英衬底、PbTiO3铁电材料薄膜、TiO2薄膜、Au叉指电极组成，PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成PbTiO3/TiO2复合异质结光敏感层，其厚度为200～300nm；待测的紫外光从石英衬底一侧入射。本发明专利技术通过铁电钙钛矿材料和传统半导体材料构建复合异质结，铁电材料所具有的退极化场可以增加电子和空穴的分离以及运输效率，同时能大大减弱电子空穴对在分离后产生的复合效应，有效提高器件内部载流子的迁移效率，降低传统半导体材料的暗电流，并提升其响应恢复特性。并提升其响应恢复特性。并提升其响应恢复特性。

【技术实现步骤摘要】
基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于紫外光电探测
，具体涉及一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着人们对大量信息处理传输需求的不断提升，以及对光电子信息技术与光电子集成电路的不断研究，紫外光的研究再一次激发了人们的兴趣。在无机宽禁带半导体材料广泛使用以前，紫外探测多采用光电倍增管或硅基光电二极管器件，而这些器件具有价格昂贵、工作电压高、体积大、需要滤光设备等明显缺点。而如今在制作紫外探测器的无机材料中，TiO2是一种低成本、无毒性、物理及化学稳定性极高的宽禁带半导体材料。但通过实验研究，人们发现用TiO2这种单一材料制作的紫外探测器件性能仍存在许多不足，比如难以限制到更低的暗电流、响应恢复时间长等。于是，需对传统单一材料进行处理，以实现器件性能的提升。目前主要采用的方法包括对感光材料掺杂、材料表面修饰、制备异质复合材料等。其中，制备异质复合材料是一种简单易行、且性能提升潜力巨大的方法。两种合适的半导体材料进行复合，可以集二者的优点于一体，同时还可以激发出异质复合材料新的性能，如通过界面势垒限制暗电流降低器件整体噪声电流、控制接触势垒促进载流子注入形成增益、通过异质结内建电场促进激子分离减少复合、通过能级匹配快速传导光生载流子有利传输等。研究表明，异质复合材料薄膜的制备相对简便，并在光电性能方面极具潜力。
[0003]近几年来，钙钛矿材料展现出了较高的能量转换效率以及光吸收能力，在光伏、光催化领域具有优异的应用发展前景。ABX3型钙钛矿材料以氧化物陶瓷ABO3为主，最早于CaTiO3中发现此类结构，此类材料的主要晶系为四方、单斜以及正交晶系。在ABX3型钙钛矿材料的晶胞中，六个带负电的X阴离子以及A位与B位阳离子组成一个八面体，其中A位由离子半径较大的金属离子占据，B位由离子半径较小的过渡金属元素占据，如图2所示。钙钛矿材料的特点在于，其AB位离子在被其他相似离子置换或者部分置换的同时可以保证其晶体结构不发生改变，A位以及B位离子在被一些较大或者较小的离子取代后，产生晶格畸变的现象，进而改变了材料的能带结构。若在钙钛矿的晶体结构中，正负电荷中心位置不重合，由此产生的电偶极子可引发材料内部自发极化现象，这时的钙钛矿材料具有铁电性。在铁电晶体内存在大量不同取向的铁电畴在材料内部随机排列，因此在材料表面不显示极化效果。当对铁电材料施加外部电场时，不同取向的铁电畴会取向会趋于一致，导致材料内部发生电荷聚集现象，材料的两个不同方向聚集相反的束缚电荷。这些相反的束缚电荷导致材料内部产生阻碍电荷束缚的“退极化场(Ep)”，可以加速电子空穴对的分离与运输。铁电材料的退极化场在光伏和光催化领域内有至关重要的作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外
光电探测器及其制备方法。该方法简单易行、工序少、成本低廉、对设备要求低，对紫外光有较高的响应恢复速度，适于大批量生产，具有重要的应用价值。
[0005]本专利技术所用的PbTiO3铁电材料的晶体结构为典型的钙钛矿结构，如图3所示，晶胞的顶角由四个Pb
2+
占据，体心为一个Ti
4+
，O2‑
位于晶胞的6个面心上。PbTiO3具有两种物相结构，其居里温度为490℃；当温度高于490℃时，呈立方顺电相；当温度低于490℃时，呈四方铁电相。立方顺电相时，Ti离子处于体心位置，晶胞参数a＝b＝c＝0.3970nm，正负电中心重合；四方铁电相时，a＝b＝0.3905nm，c＝0.4156nm，Ti离子沿着C轴有微小位移，晶胞内部正负电荷中心不重合，而产生自发极化现象，自发极化在外电场的作用下可以发生方向的转变。室温下PbTiO3为四方铁电相，具有铁电性能。本专利技术利用铁电材料PbTiO3与传统半导体材料TiO2复合，构建异质结。铁电材料PbTiO3所具有的退极化场可以增加电子和空穴的分离以及运输效率，同时能大大减弱电子空穴对在分离后产生的复合效应，降低光电探测器件的暗电流，并提升其响应恢复特性。本专利技术所制备的PbTiO3/TiO2为光敏感层的紫外光探测器，具有响应恢复时间短、暗电流低和光暗抑制比高的优点。
[0006]本专利技术所述的一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器，由从下至上依次为石英衬底、PbTiO3铁电材料薄膜、TiO2薄膜和Au叉指电极组成，PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成PbTiO3/TiO2复合异质结光敏感层，其厚度为200～300nm；待测的紫外光从石英衬底一侧入射；Au叉指电极的电极长度、电极间距、电极宽度、电极厚度分别为0.8～1.2mm、10～30μm、10～30μm、100～150nm；Au叉指电极的的对数为5～10对。
[0007]本专利技术所述的一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器的制备方法，其步骤如下：
[0008](1)清洗衬底
[0009]将石英衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10～20分钟，然后烘干；
[0010](2)PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成的复合光敏感层
[0011]首先制备PbTiO3前驱体溶液：在10～30mL乙醇中加入0.4～0.8g三水合乙酸铅、0.3～0.9mL钛酸四丁酯，搅拌30～180分钟后加入1～3mL乙二醇甲醚，再搅拌20
‑
40分钟，最后将溶液置于暗处静置24～36小时，得到PbTiO3前驱体溶液；
[0012]制备TiO2前驱体溶液：在30～70mL乙醇中加入3～8mL钛酸四丁酯，搅拌20～40分钟后加入3～8mL乙酸，搅拌30～40分钟后加入3～8mL乙酰丙酮，搅拌40～60分钟后加入3～8mL去离子水，搅拌12～15小时后将所得溶液置于暗处静置24～36小时，得到TiO2前驱体溶液；
[0013]制备PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成的复合光敏感层：在步骤(1)清洗过的石英衬底表面旋涂PbTiO3前驱体溶液并形成薄膜，旋涂转速为2000～3500转/分钟，旋涂时间为20～30秒；于100～120℃条件下烘干10～15分钟后将衬底冷却至室温；重复上述旋涂PbTiO3前驱体溶液、烘干、衬底冷却至室温步骤3～7次，再将石英衬底在700～850℃下烧结1～3小时，从而在石英衬底表面得到PbTiO3铁电材料薄膜，即PbTiO3光敏感层，厚度为100～150nm；然后在PbTiO3铁电材料薄膜上旋涂TiO2前驱体溶液并形成薄膜，旋涂转速为2000～3500转/分钟，旋涂时间为20～30秒；于100～120℃条件下烘干10～15分钟后将衬底冷却至室温；重复上述旋涂TiO2前驱体溶液、烘干、衬底冷却至室温步骤3～7次，再将石英衬底在400～700℃下烧结1～3小时，从而在PbTiO3铁电材料薄膜上得到TiO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器，其特征在于：由从下至上依次为石英衬底、PbTiO3铁电材料薄膜、TiO2薄膜和Au叉指电极组成，PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成复合光敏感层，其厚度为200～300nm。2.如权利要求1所述的一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器，其特征在于：Au叉指电极的电极长度、电极间距、电极宽度、电极厚度分别为0.8～1.2mm、10～30μm、10～30μm、100～150nm；Au叉指电极的的对数为5～10对。3.权利要求1或2所述的一种基于铁电钙钛矿PbTiO3/TiO2的快速响应恢复型紫外光电探测器的制备方法，其步骤如下：(1)清洗衬底将石英衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗10～20分钟，然后烘干；(2)PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成的复合光敏感层在步骤(1)清洗过的石英衬底表面旋涂PbTiO3前驱体溶液并形成薄膜，于100～120℃条件下烘干10～15分钟后将衬底冷却至室温；重复上述旋涂PbTiO3前驱体溶液、烘干、衬底冷却至室温步骤3～7次，再将石英衬底在700～850℃下烧结1～3小时，从而在石英衬底表面得到PbTiO3铁电材料薄膜，厚度为100～150nm；然后在PbTiO3铁电材料薄膜上旋涂TiO2前驱体溶液并形成薄膜，于100～120℃条件下烘干10～15分钟后将衬底冷却至室温；重复上述旋涂TiO2前驱体溶液、烘干、衬底冷却至室温步骤3～7次，再将石英衬底在400～700℃下烧结1～3小时，从而在PbTiO3铁电材料薄膜上得到TiO2薄膜，厚度为100～150nm；PbTiO3铁电材料薄膜和TiO2薄膜组成复合光敏感层，总厚度为200～300nm；(3)制备Au叉指电极首先在复合光敏感层上旋涂一层厚度为0.5～1μm的正型光刻胶薄膜，于80～100℃温度下前烘10～20分钟；然后，将与Au叉指电极结构互补的光刻掩膜板放在光刻胶薄膜上，紫外曝光60～90秒，再显影30～40秒后去除曝光的光刻胶；...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮圣平，张宇鹏，徐睿良，翟艳男，陈宇，刘彩霞，周敬然，李昕，马艳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：