一种基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器及其制备方法

本发明属于光电材料及光电探测器制备领域，更具体地，涉及一种基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性电子产品相对于传统技术具有不可替代的优点，如具有良好的可弯曲性、可折叠性、甚至可拉伸性、尺寸小、重量轻、与人体组织贴合性好等，柔性光电探测器(f-pd)因其在可穿戴、个性化医疗以及实时健康监测中广泛应用而备受关注。

2、相较于刚性探测器而言，f-pd对材料的机械性能稳定性和器件的结构可靠性提出了更高要求，然而，目前的主流的短波红外(short-wave infrared，swir，波长为1微米到3微米)探测器材料，如iii-v族(ingaas)、ii-vi族半导体(hgcdte)等传统材料均为三维晶体结构材料，具有本征刚性特性，且需通过外延等高温工艺制备(>800℃)，难以与目前常用的不耐高温的聚合物柔性衬底(如pet，pi，pen等)兼容。新兴的pbs、hgte等红外量子点材料虽可通过旋涂等方式低温制备，但其制备过程中使用大量的有机溶剂，制备过程复杂且含有有毒的pb、hg等重金属，在可穿戴设备中应用需谨慎，此外，量子点器件相较于传统的无机材料，其稳定性也是亟待解决的关键问题。

3、基于有机材料的柔性探测器件，如y6、p3ht和pcbm等，其可采用低温溶液法在柔性衬底上制备，具有优异的柔性特征。但有机材料一般载流子迁移率较低，光生电子和空穴不易分离，导致光响应受限，同时有机材料惧怕空气中的水和氧，其稳定性一般较差。此外，目前主流的有机光电探测器的探测波长主要集中在可见光和近红外区域，面向短波红外探测应用受限。

4、因此，迫切需要开发制备一种无毒、稳定性好、低成本、柔韧性强、轻薄、结构简单、易于制造的柔性短波红外探测器，并开发相应的制备方法，其拥有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器及其制备方法，其中通过对柔性红外探测器关键的吸光层组成及其制备工艺进行改进，能够在较低的温度下实现吸光层的制备，对柔性衬底非常友好；并且，制得的柔性红外探测器器件，能够灵活调控吸收带边，以满足不同的红外探测实际需求，尤其适用于1100nm-1400nm波长的短波红外探测。本发明具有柔性性质，并且结构简单，成本较低，以简单的器件结构和较低成本实现了柔性红外探测器的制备。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器，其特征在于，自下而上包括柔性衬底、透明导电层、n型缓冲层、p型硒化锑铋薄膜和顶电极；其中，所述p型硒化锑铋薄膜为铋元素掺杂的硒化锑薄膜。

3、作为本发明的进一步优选，所述p型硒化锑铋薄膜中，bi元素与sb元素的摩尔比不超过1：1。

4、作为本发明的进一步优选，所述p型硒化锑铋薄膜是采用单源共掺热蒸发的方式制备得到的，单源共掺热蒸发所采用的蒸发源是由bi2se3与sb2se3按预先设定的bi：sb摩尔比混合后烧结得到的合金粉末；

5、优选的，所述烧结是在密封的石英管中进行的。

6、作为本发明的进一步优选，所述p型硒化锑铋薄膜的厚度为700nm到2000nm。

7、作为本发明的进一步优选，所述柔性衬底为柔性pi衬底。

8、作为本发明的进一步优选，所述n型缓冲层的材料为zno、sno2中的一种。

9、作为本发明的进一步优选，所述透明导电层的材料为ito、fto、iwo中的一种；

10、所述顶电极为金属顶电极；优选的，所述金属顶电极的材料为金、银中的一种。

11、按照本发明的另一方面，本发明提供了上述基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器的制备方法，其特征在于，包括p型硒化锑铋薄膜的制备步骤，p型硒化锑铋薄膜的制备步骤具体如下：

12、对于待沉积p型硒化锑铋薄膜的基底，采用单源共掺热蒸发的方式在基底上制备p型硒化锑铋薄膜；其中，单源共掺热蒸发所采用的蒸发源是由bi2se3与sb2se3按预先设定的bi：sb摩尔比混合烧结得到的合金粉末。

13、作为本发明的进一步优选，所述热蒸发所采用的蒸发源蒸发温度为500-600℃，真空度<5pa，基底温度为200-400℃。

14、作为本发明的进一步优选，所述热蒸发具体是采用快速热蒸发、气相转移沉积、近空间升华沉积中的一种。

15、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过使用p型硒化锑铋薄膜(即，铋元素掺杂的硒化锑薄膜)作为p型吸光层，通过控制铋元素的相对含量(例如，bi元素与sb元素的摩尔比)，能够灵活调控吸收带边，以满足不同的红外探测实际需求，以后文实施例为例，吸收带边尤其可在1100nm-1400nm范围内调节。硒化锑(sb2se3)作为v-vi族带状一维半导体，毒性低，原材料储量丰富且价格便宜，具备～1.1ev的带隙宽度(探测波长1100nm)以及良好的光电特性，且作为一种一维材料，能够很好地应用于柔性探测器。本发明通过铋元素掺杂得到p型硒化锑铋薄膜，既继承了适用于柔性探测器的特点，又能够灵活调控吸收带边，以满足不同的红外探测实际需求，吸收带边例如可在1100nm-1400nm范围内调节，大大扩展了应用。

16、本发明器件中的p型硒化锑铋薄膜，可以采用单源共掺热蒸发的方式制备得到，单源共掺热蒸发所采用的蒸发源是由bi2se3与sb2se3按预先设定的bi：sb摩尔比混合后烧结得到的合金粉末。并且，基于本发明，硒化锑铋薄膜制备过程中，蒸发源蒸发温度可控制为500-600℃，基底的温度尤其可控制在200-400℃，非常适用于各种常用的不耐高温的聚合物柔性衬底。本发明通过使用柔性衬底，弯折曲率半径可<5mm；以使用pi为例，pi膜以其优良的力学性能及耐化学稳定性成为当前最佳的柔性基板材料。

17、并且，基于本发明，当铋元素掺杂比例为(0，50％]时，探测波长为(1100nn，1400nm]，探测波长与铋元素掺杂比例近似呈线性关系，因此，可以根据所需探测波长计算对应的摩尔比，将原料bi2se3与sb2se3按照比例均匀混合，放到石英管中，将其密封后烧结得到sb2se3:bi合金，将合金粉末作为蒸发源，采用热蒸发的方式制备硒化锑铋薄膜。

18、本发明通过使用硒化锑铋薄膜作为吸光层构建柔性红外探测器，能够取得以下有益效果，在应用方面极具竞争力：

19、(1)材料无毒、成本低，无机材料稳定性好，柔韧性好，形变容忍大，适合设计柔性可穿戴设备；构建的柔性sb2se3:bi红外探测器，例如可以进一步应用在医疗、可穿戴设备等领域，可以根据掺杂比调控探测器的探测波长与纳米结构。

20、本发明器件具有结构简单，所用原材料容易获得，依托成熟的微电子工艺技术平台制造的特点。热蒸发技术，可工业制造，制备成本低，生产流程简单。

21、(2)制备sb2se3:bi薄膜的原材料sb2se3和bi2se3饱和蒸汽压均较大，结晶温度低(～133℃)，可采用热蒸镀等方法在柔性衬底上直接制备高结晶性的薄膜；

22、(3)因硒化锑铋带隙连续可调，吸收带边可根据掺杂比例在1100-1400nm间任意选取，拓宽了探测范围。

23、(4)本发明得到的基于硒化锑铋薄膜的柔性红外探测器，受温度等环境因素的变化影响较小。