本文采用电子束蒸发镀膜法在PET柔性衬底上制备出基于CdS薄膜的柔性光探测器。PET对高温有敏感性,利用电子束蒸发镀膜方法可以在低温下制备出CdS薄膜。运用XRD、拉曼光谱和AFM对PET上CdS薄膜进行表征,结果表明所制备的薄膜致密性好、性能优异。批量制备器件,在偏压为1 V,光功率为365 nm的紫外光源照射条件下进行光响应性能测试,获得的光电流为0.347 μA,响应度达到17.35 A/W。对器件在不同弯曲应变下进行测试。统计测试数据显示CdS薄膜柔性光探测器件在0.08%~0.12%应变下,弯曲前后光电流变化较小,表明CdS薄膜柔性光探测器在应变为~0.1%下性能稳定。 CdS film-based flexible photodetectors were fabricated by depositing CdS films on flexible PET substrate in combination with evaporating the Au/Cr electrodes using the shadow mask. PET is sensitive to high temperature and films can be deposited at low temperature by e-beam evaporation method. The as-produced CdS films were characterized by XRD, Raman and AFM, and the results show that the preparation of CdS films with good compactness has been succeeded on PET by e-beam evaporation method. The photoresponse properties were tested under the irradiation of a 365 nm ultraviolet light with power of 1 mW/cm2 under a bias voltage of 1 V. The obtained photocurrent and calculated responsivity are 0.347 μA and 17.35 A/W, respectively. Finally, the devices were tested under bending with different strains for 1 h. The statistics results show that the photocurrents of the CdS film-based flexible photodetectors have little to no change before and after bending under the strain of 0.08% to 0.12%, indicating that the devices have stable performance under the strain of ~0.1%.
陈红蕾,盛俊华,彭锐,叶传瑶,王敏*
合肥工业大学,材料科学与工程学院,安徽 合肥
收稿日期:2019年7月22日;录用日期:2019年8月6日;发布日期:2019年8月13日
本文采用电子束蒸发镀膜法在PET柔性衬底上制备出基于CdS薄膜的柔性光探测器。PET对高温有敏感性,利用电子束蒸发镀膜方法可以在低温下制备出CdS薄膜。运用XRD、拉曼光谱和AFM对PET上CdS薄膜进行表征,结果表明所制备的薄膜致密性好、性能优异。批量制备器件,在偏压为1 V,光功率为365 nm的紫外光源照射条件下进行光响应性能测试,获得的光电流为0.347 μA,响应度达到17.35 A/W。对器件在不同弯曲应变下进行测试。统计测试数据显示CdS薄膜柔性光探测器件在0.08%~0.12%应变下,弯曲前后光电流变化较小,表明CdS薄膜柔性光探测器在应变为~0.1%下性能稳定。
关键词 :电子束蒸镀,PET衬底,CdS薄膜,柔性光探测器,光电流
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近年来,柔性显示、可穿戴和可折叠设备越来越受到人们的重视,柔性薄膜光探测器件逐渐进入人们的视野,并广泛应用于智能控制、电子设备、航天航空等领域中 [
实验采用厚度为50 μm尺寸大小为6 cm × 8 cm的PET (聚对苯二甲酸乙二纯酯)作为衬底,经过丙酮和乙醇各超声清洗5 min,清洗PET表面灰尘和杂质,空气枪吹干,用等离子清洗机清洗15 min,去除表面的有机物和残余杂质等,确保PET衬底洁净、有亲水性。将清洗好的PET用沟道宽度为40 μm的条带掩膜板贴紧,在电子束蒸发镀膜机的基板上固定好。设置好蒸镀参数,蒸镀100 nm的CdS条带薄膜。将制备好的CdS条带薄膜/PET样品取出,剪下一部分,分别进行XRD,拉曼,AFM测试分析,其余的CdS条带薄膜/PET,条带与相匹配的沟道长度50 μm的电极阵列掩膜板贴合,在CdS条带薄膜/PET上分别蒸镀10 nm Cr和100 nm Au作为电极。制备出的样品自上而下的结构为:电极/CdS条带薄膜/PET,同时具备电极阵列,制备出CdS薄膜柔性光探测器。
图1是100 nm CdS薄膜/PET衬底的XRD衍射图谱(a)和实验选用的PET衬底的XRD衍射图谱(b)。在CdS的衍射图谱中在23.1˚、26.4˚、43.7˚、47.8˚和52.1˚的位置上有5个衍射峰,其中,26.4˚、43.7˚和52.1˚的峰为立方晶CdS衍射峰,分别对于立方晶的(111)、(220)和(311)晶面。47.8˚对应的为六方晶CdS衍射峰,对应的六方晶面为(103)晶面,23.1˚对应的峰为基底PET的衍射峰。可见电子束蒸发镀膜所得的CdS薄膜为立方晶和六方晶混合结构。其中立方晶的占比远远多于六方晶,大部分的CdS薄膜的结构为立方晶结构,衍射图谱没有出现明显的杂峰,表明样品纯度较高,没有其他杂质和衍生物。
图1. (a)PET基底上的100 nm厚CdS薄膜的XRD图,(b) PET衬底的XRD图
图2是100 nm CdS薄膜/PET衬底图2(a)和PET衬底图2(b)的拉曼光谱。可见在去除衬底PET的特征峰后,可明显的观察到CdS拉曼光谱的两个纵光子声学特征峰 [
图2. (a) PET基底上的100 nm厚CdS薄膜拉曼光谱,(b) PET衬底的拉曼光谱
图3为原子力显微镜对PET衬底上100 nm CdS薄膜进行观察并拟合所得到的2D图像图3(a)和3D图像图3(b),通过表面粗糙度计算,Rq = 1.32 nm,Ra = 1.05 nm,可见蒸镀在PET上的CdS薄膜牢固且表面突起幅度小,生成的薄膜粒径大小均匀,具有良好的结晶性和致密性。
图3. PET基底上100 nm厚CdS薄膜的(a) 2D和(b) 3DAFM图
CdS薄膜柔性光探测器件在偏压为1 V,光功率为1 mW/cm2的波长为365 nm的紫外光源照射条件下进行光探测性能测试。光响应度(Rλ)是光电探测器基本性能的参数之一。计算公式:Rλ = ∆I/PS [
图4. CdS薄膜柔性光探测器在不同应变下弯曲前后的电流–时间曲线
图5是通过掩膜板批量制备好的CdS薄膜柔性光探测器件,分别0.08%、0.12%、0.16%、0.2%的弯曲应变,弯曲1小时,每组应变条件下10个器件弯曲后光电流与未弯曲光电流的百分比统计图。从统计图中可以看出:在0.08%弯曲应变时,器件弯曲后光电流是未弯曲时的96%。弯曲应变0.12%、0.16%下,器件弯曲后光电流仍能达到未弯曲时的83%以上。应变在0.2%时,器件弯曲后光电流是未弯曲时的63.8%。测试结果表明该器件在~0.1%应变下弯曲前后光响应性能稳定,随着应变增加,器件光响应性能越来越不稳定,但仍能正常工作。
图5. CdS薄膜柔性光探测器在不同应变下弯曲前后的电流-时间曲线
本文通过电子束蒸发镀膜法,低温下在PET衬底上成功制备出CdS薄膜光探测器阵列,且对CdS薄膜柔性光探测器进行了研究。电子束蒸发镀膜法解决了PET不耐高温的问题,制备出的CdS薄膜致密均匀。其光响应测试表明CdS薄膜柔性光探测器阵列光响应度高,在~0.1%应变下弯曲前后光响应性能稳定。该制备方法简单,可批量生产,成本低廉。
国家自然科学基金面上项目(21473047)。
陈红蕾,盛俊华,彭 锐,叶传瑶,王 敏. 基于CdS薄膜的柔性光探测器研究 CdS Film-Based Flexible Photodetectors[J]. 应用物理, 2019, 09(08): 373-378. https://doi.org/10.12677/APP.2019.98044