APP  >> Vol. 9 No. 8 (August 2019)

    基于CdS薄膜的柔性光探测器研究
    CdS Film-Based Flexible Photodetectors

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作者:  

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

关键词:
电子束蒸镀PET衬底CdS薄膜柔性光探测器光电流 Electron Beam Evaporation PET Substrate CdS Films Flexible Photodetector Photocurrent

摘要:

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%.

1. 引言

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 [1] [2] 。CdS是直接带隙的II-VI族化合物半导体材料,能隙宽度为2.42 eV,能隙较宽,吸收系数较高,吸收系数在104~105 cm−1,在350~500 nm的波长范围内,CdS有较好的吸收 [3] [4] [5] ,常作为光探测器的光吸收层材料。聚对苯二甲酸乙二纯酯(PET)具有良好的机械性能、耐化学腐蚀,在可见光范围内有很高的透过率,因此PET是良好的柔性衬底材料 [6] ,但PET不耐高温,高温下容易产生塑性变形 [7] 。电子束蒸发法镀膜温度较低,且操作步骤简单,薄膜的质量好,膜厚容易控制,所以采用电子束蒸发镀膜法在低温下制备CdS薄膜。并利用掩膜板蒸镀电极,构筑光探测器阵列。对制备出的柔性器件进行形貌结构分析,研究弯曲前后光响应性能。

2. 实验

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。

3. 实验结果分析

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。

Figure 1. (a) XRD of 100 nm thick CdS thin film on PET substrate, (b) XRD of PET substrate

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 [8] ,分别位于301.4 cm−1和601.6 cm−1处,特征峰明显且清楚,说明其结晶性好,膜的质量高。

Figure 2. (a) Raman analysis of 100 nm thick CdS films on PET substrate, (b) Raman analysis of PET substrate

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。

Figure 3. (a) 2D and (b) 3D AFM images of 100 nm thick CdS thin filmonPET substrate

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 [9] ,其中∆I (光电流)是光源照射下的电流与暗电流之差,P是照射光源的功率。S是薄膜受光照的有效区域面积。光暗电导比 = Iph/Idark [10] ,比值越大,说明器件响应性能越好。图4是制备好的CdS薄膜柔性光探测器件在不同弯曲应变条件(0%,0.08%,0.12%,0.16%,0.2%)下,弯曲1小时后的归一化电流–时间周期图。在10 s时加光源照射,CdS薄膜吸收光子能量,得到能量的电子跃迁到导带上,形成电子空穴对,提高电导率,使电流迅速上升并稳定。在20 s时撤去光源后,电子和空穴恢复复合,电流以较快的速度下降 [11] ,重复4组加光–撤光操作得到周期图。未弯曲时∆I = 0.347 μA,Rλ = 17.35 A/W,光暗电导比≈1.04。测试得到的Rλ比白等人制备的CdS薄膜器件探测的响应度高出2个量级 [12] ,说明电子束蒸发镀膜法得到的薄膜质量高,均匀性好。拉伸弯曲产生应变(ε)由公式ε = (t/2R) × 100%计算所得,t是样品PET厚度,R是弯曲时曲率半径。在应变为0.08%下弯曲1小时后,∆I = 0.334 μA,弯曲后光电流与未弯曲时光电流的百分比为96%,表明器件在弯曲前后光电流变化较小。从图4中可以看出,CdS薄膜柔性光探测器件在0.08%、0.12%、0.16%弯曲应变下,光电流基本没有变化。当弯曲应变为0.2%时,光电流变小,但光响应周期仍稳定。光电流下降的原因是,硫化镉薄膜在弯曲过程中,受应力作用会产生细小裂纹,但随着弯曲应变的增加,裂纹逐渐增多,影响载流子的传输,薄膜电阻变大,使得光电流下降。

Figure 4. I-tcurve of CdS film-based flexible photodetector after bending for 1 h with different strains

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。

Figure 5. Statistics of the normalized photocurrent of CdS film-based flexible photodetectors under bending for 1 h with different strains

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

4. 结论

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。

基金项目

国家自然科学基金面上项目(21473047)。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
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[J]. 应用物理, 2019, 9(8): 373-378. https://doi.org/10.12677/APP.2019.98044

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