一种基于TiO2@ITO的线状光电化学紫外探测器及其制备方法

本发明属于紫外探测器，具体涉及一种基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器及其制备方法。

背景技术：

1、紫外探测器作为光电探测器的一种，其对紫外辐射具有高响应，能够将紫外辐射能转换为易于测量的电信号或者其他物理量。紫外探测器有广泛的应用前景，可以应用在民用领域和军用领域，如：生物传感、环境检测、导弹监视以及光通信等领域。目前诸多的紫外探测器正在工作时均需要外加一个负载电源，配合紫外探测器一起工作，或者通过施加额外的偏压获得更加优秀的探测性能。

2、光电化学型紫外探测器以其简单的制作工艺、低廉的制造成本、可实现自供能以及毫秒级的响应速度引起了广泛关注。光电化学紫外探测器是一种由光阳极、对电极、电解质三部分组成的三明治器件结构。其原理与染料敏化太阳能电池的原理基本一致，只是没有染料，紫外光是由半导体材料吸收的，光吸收过程和光生电子的传输过程同时进行，复合反应主要在导带中电子和价带空穴以及电解液之间进行。tio2是光电化学紫外探测器中最具应用潜力的材料，由一维tio2纳米结构组成的纳米阵列可以提供优异的载流子输运性能。传统的平面结构光电探测器只能局限的方向上吸收光线，这极大地影响了光电探测的性能。

3、针对传统的平面结构光电化学紫外探测器吸收紫外光受限的技术问题，急需找到一种新的光电化学紫外探测器，使其可以探测到来自任意方向的光。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器及其制备方法，以解决传统的平面结构光电化学紫外探测器吸收紫外光受限的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将石英管切开，得到两个石英半管，并进行预处理；

5、2)在预处理后的石英半管内壁分别沉积ito薄膜，形成ito薄膜/石英；

6、3)在ito薄膜/石英内壁制备tio2种子层，得到tio2@ito种子层；

7、4)在tio2@ito种子层上制备tio2纳米棒阵列，得到tio2@ito纳米棒阵列，作为光阳极；

8、5)将制得的两个tio2@ito纳米棒阵列光阳极与对电极封装，并注入电解液，得到基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器。

9、优选地，步骤1)中，预处理包括：将两个石英半管依次放入去离子水、无水乙醇和丙酮中各超声清洗5～20min，再烘干，完成预处理。

10、优选地，步骤2)中，分别在石英半管内壁利用磁控溅射沉积ito薄膜，形成ito薄膜/石英；磁控溅射的参数为本底真空6×10-4～8×10-4pa，工作气压0.5～2pa，ar气流速30～40ml/min，溅射时间5～15min，直流溅射，溅射功率50～150w，溅射靶材ito靶。

11、优选地，步骤3)中，利用浸渍-提拉法在ito薄膜/石英内壁制备tio2种子层；tio2@ito种子层的制备方法包括：将钛酸丁酯、乙醇和乙酸混合进行一次搅拌反应，然后加入含有聚乙烯吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺、三乙醇胺和乙醇的混合溶液再进行二次搅拌反应，得到tio2@ito种子液，通过浸渍-提拉法将tio2@ito种子液置于ito薄膜/石英上，烘干，经退火处理后，得到tio2@ito种子层。

12、进一步优选地，钛酸丁酯：乙醇：乙酸：聚乙烯吡咯烷酮：n,n-二甲基甲酰胺：三乙醇胺：乙醇的用量比为(0.5～1.5)g：(5～10)ml：(1～1.5)ml：(0.2～0.5)g：(0.5～1.5)ml：(0.5～1.5)ml：(10～20)ml；一次搅拌反应的时间为10～20min；二次搅拌反应的时间为20～40min；退火处理的条件为：升温至450～500℃保持1～2h后随炉冷却至室温。

13、优选地，步骤4)中，利用水热法在tio2@ito种子层上制备tio2纳米棒阵列；tio2@ito纳米棒阵列光阳极的制备方法包括：将覆有tio2@ito种子层的石英半管固定在载玻片上，并放置在容器中，加入草酸钛钾水溶液，封闭，进行水热反应，冷却至室温后，经清洗、烘干和退火处理，得到tio2@ito纳米棒阵列光阳极。

14、进一步优选地，草酸钛钾水溶液的制备方法包括：将0.4～0.6g的草酸钛钾溶于10～20ml的去离子水中，并搅拌至澄清，在搅拌过程中缓慢加入3～5ml的一缩二乙二醇；水热反应的条件为：升温至150～200℃，保持4～7h后冷却至室温；退火处理的条件为：升温至450～500℃，保持1～2h后随炉冷却至室温。

15、优选地，步骤5)中，封装的方法包括：将制得的两个tio2@ito纳米棒阵列光阳极粘在一起，得到石英管光阳极(5)，将对电极放置在石英管光阳极(5)中间，与石英管光阳极(5)保持距离，再注入电解液，完成封装。

16、进一步优选地，对电极为pt丝；电解液为naoh水溶液；pt丝的直径为0.3～0.4mm；naoh水溶液的浓度为0.1～0.2m。

17、本发明还公开了一种基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器，采用上述制备方法制得。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明公开了一种基于tio2@ito的线状光电化学紫外探测器的制备方法，石英管作为探测器的基础结构材料，切开后形成两个半管，为后续的薄膜沉积和纳米结构生长提供了稳定的支撑。预处理过程有效去除了石英管表面的灰尘、油脂等杂质，保证了后续薄膜沉积的均匀性和质量。ito薄膜作为透明导电层，其优异的导电性能使得探测器在光电转换过程中能够有效收集并传输光生载流子，提高了探测器的响应速度和灵敏度。ito薄膜的高透光性确保了紫外线能够穿透到达tio2纳米棒阵列，被有效利用于光电化学反应中。ito薄膜与石英管内壁之间形成的良好界面，减少了界面电阻和载流子复合，进一步提高了探测器的性能。tio2种子层为后续的纳米棒生长提供了“种子”，确保了纳米棒能够沿着预定的方向和模式均匀生长，避免了无序生长导致的性能下降。种子层还增强了tio2纳米棒与ito薄膜之间的附着力，防止了纳米棒在使用过程中脱落或变形，有助于tio2纳米棒在生长过程中形成更好的结晶质量，从而提高探测器的光电转换效率和稳定性。tio2纳米棒阵列具有极大的比表面积，能够吸收更多的紫外光并产生更多的光生载流子，提高了探测器的灵敏度。纳米棒阵列的特殊结构还增强了对紫外光的散射和吸收能力，使得探测器在较宽的紫外光谱范围内都能表现出良好的响应特性。纳米棒之间的间隙为电荷传输提供了直接的路径，减少了载流子在传输过程中的复合和损失，提高了探测器的光电转换效率。封装过程将探测器的各个部分紧密地结合在一起，防止了外界环境对探测器的干扰和损害，提高了探测器的稳定性和可靠性。电解液的注入为光电化学反应提供了必要的介质和环境条件，确保了探测器能够在预定的条件下稳定工作。该探测器提高了活性层的面积，在入射光没有固定去向的时候，线状结构相对平面结构更具优势，并且线状的光电化学探测器可以探测到来自任意方向的光，制作方法简单，制备成本低廉，可以实现自供能。

20、进一步地，将石英半管为衬底，利用磁控溅射法在2个衬底内壁沉积ito薄膜形成ito薄膜/石英(iftce)；磁控溅射法能够精确控制ito薄膜的厚度和均匀性，确保ito薄膜具有良好的导电性和透光性。ito薄膜作为导电基底和透明窗口层，提高了探测器的光电转换效率，并允许紫外线有效穿透。

21、进一步地，利用浸渍-提拉法在iftce内壁制备tio2种子层；浸渍-提拉法是一种简单且有效的制备种子层的方法，能够确保tio2种子层均匀且牢固地附着在ito薄膜/石英衬底上。种子层为后续纳米棒的生长提供了附着点和生长起点，有助于形成均匀致密的纳米棒阵列。钛酸丁酯作为钛源，乙醇作为溶剂，乙酸则起到调节溶液酸碱度和促进钛酸丁酯水解的作用。通过搅拌反应，可以确保前驱体溶液中的各组分充分混合，为后续tio2种子的形成提供均匀的反应环境。聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，有助于改善tio2溶胶的分散性和稳定性；n,n-二甲基甲酰胺作为溶剂，进一步调节溶胶的粘度；三乙醇胺则可能起到调节溶胶ph值和促进tio2晶粒生长的作用。退火处理是tio2种子层制备的关键步骤。在高温下，tio2种子会进一步结晶和生长，形成更加致密和均匀的种子层。退火处理还可以去除种子层中的有机残留物，提高种子层的纯度和稳定性，使最终得到的tio2@ito种子层具有优异的附着力和结晶质量。

22、进一步地，利用水热法在种子层上制备tio2@ito纳米棒阵列光阳极；水热法是一种温和且可控的纳米结构制备方法，能够在种子层上生长出具有高度取向和良好结晶质量的tio2纳米棒阵列。纳米棒阵列具有大的比表面积和优异的光电性能，能够增强紫外光的吸收和光电转换效率。固定覆有种子层的石英半管可以确保其在后续的水热反应中不会移动或倾斜，从而保证纳米棒阵列的均匀生长。草酸钛钾作为钛源，在水热反应中会逐渐释放出钛离子，与种子层上的tio2反应，促使纳米棒的生长，一缩二乙二醇作为添加剂，可以调节草酸钛钾水溶液的粘度和表面张力，有助于纳米棒的生长和形貌控制。封闭容器可以确保反应环境的稳定，有利于纳米棒阵列的形成。退火处理使纳米棒阵列更加致密和结晶化，提高其光电性能。

23、进一步地，将两个光阳极粘在一起可以形成完整的管状结构，增加探测器的稳定性和耐用性。对电极的放置位置会影响探测器的性能。保持适当的距离可以确保光电化学反应的顺利进行，同时避免对电极与光阳极之间的直接接触导致的短路。

24、本发明还公开了上述制备方法制得的tio2@ito的线状光电化学紫外探测器，采用线状结构设计，不仅提高了探测器的表面积，从而增强了紫外光的吸收效率，还使得探测器在特定应用场景下(如光纤传感、微型探测等)具有更好的适应性和灵活性。tio2作为光阳极材料，具有优异的光电转换性能和化学稳定性；ito作为透明导电薄膜，既保证了紫外光的透过性，又提供了良好的电子传输通道。两者的结合充分发挥了各自的优势，提高了探测器的整体性能，在紫外光照射下能够产生显著的光电流，实现高效的光电转换。纳米棒阵列的快速电荷传输特性使得探测器对紫外光的响应速度大大提高，能够快速捕捉到光信号的变化。能够在各种环境条件下稳定工作，具有良好的长期稳定性和可靠性。