CN103972322B

CN103972322B - 光敏电阻

Info

Publication number: CN103972322B
Application number: CN201310042597.1A
Authority: CN
Inventors: 刘军库; 李关红; 李群庆; 范守善
Original assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103972322A; US20140218161A1; TWI505491B; TW201432932A; US9130104B2

Abstract

本发明提供一种光敏电阻，其包括一第一电极层、一光敏材料层以及一第二电极层，所述第一电极层、光敏材料层和第二电极层层叠设置，构成一三明治结构，所述第一电极层和第二电极层分别设置于所述光敏材料层相对的两个表面上，且分别与所述光敏材料层电接触，所述第一电极层包括一第一碳纳米管薄膜结构。该光敏电阻进一步包括一第一引出电极以及一第二引出电极，分别与所述第一电极层和第二电极层电连接。

Description

光敏电阻

技术领域

本发明涉及一种光敏电阻。

背景技术

光敏电阻又称光导管，其工作原理是基于内光电效应。典型的光敏电阻是将半导体光敏材料两端装上电极引线，并将其封装在带有透明窗的管壳里构成的。

常用的光敏材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等。这些光敏材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速下降。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光敏材料薄膜的同一表面上蒸镀金、铜、铝等金属形成的。然而，由于这个金属电极本身不透光，光线只能通过梳状金属电极之间的空隙照射到光敏材料上，所述电极之间的空隙狭小，即该光敏电阻的受光面积较小，透光率较差，因此，对于微弱光探测的灵敏度不高；并且，该光敏电阻仅能检测非偏振光，无法检测偏振光。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种光敏电阻，该光敏电阻不仅可用于微弱光的探测，还可检测光的偏振性。

一种光敏电阻，其包括一第一电极层、一光敏材料层及一第二电极层，所述第一电极层、光敏材料层和第二电极层层叠设置，构成一三明治结构，所述第一电极层和第二电极层分别设置于所述光敏材料层相对的两个表面上，且分别与所述光敏材料层电接触，所述第一电极层包括一第一碳纳米管薄膜结构。

进一步地，该光敏电阻还包括一第一引出电极以及一第二引出电极，该第一引出电极及第二引出电极分别与所述第一电极层和第二电极层电连接。

进一步地，所述碳纳米管薄膜结构包括至少一碳纳米管拉膜，所述碳纳米管拉膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管之间通过范德华力相连，形成一自支撑的结构。

进一步地，所述第二电极层包括一碳纳米管薄膜结构或一金属薄膜。

相对于现有技术，本发明所提供的光敏电阻具有以下优点：其一，由于本发明中所用的第一电极层具有较高的透光率，因此，可将光敏电阻设计成三明治结构，即所述第一电极层与第二电极层分别位于光敏材料层相对的两个表面上；其二，由于所述第一电极层包括一碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构具有较高的透光率，相对于传统的采用梳状金属电极的光敏电阻而言，其具有更大的受光面积，因此，该光敏电阻对微弱光的探测灵敏度较高；其三，由于所述碳纳米管薄膜结构具有各向异性的特点，因此，该光敏电阻可用于偏振光的检测；其四，当所述第二电极层也包括一碳纳米管薄膜结构时，该光敏电阻可制作成一柔性光敏电阻，拓展其应用领域。

附图说明

图1为本发明提供的光敏电阻的结构示意图。

图2为图1的光敏电阻中第一种碳纳米管薄膜结构的爆破图。

图3为图1的光敏电阻中第二种碳纳米管薄膜结构的爆破图。

图4为图1的光敏电阻中单层碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

图5为图1的光敏电阻应用于偏振光检测系统的示意图。

图6为利用图5的偏振光检测系统对偏振光进行检测的方法流程图。

主要元件符号说明

10	光敏电阻
		100	偏振光检测系统
102	第一电极层
		1020	碳纳米管薄膜结构
1021	碳纳米管拉膜
		1022	碳纳米管
104	光敏材料层
		106	第二电极层
108	第二引出电极
		110	第一引出电极
112	绝缘基底
		114	电源
116	检测装置

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参见图1，本发明提供一种光敏电阻10，该光敏电阻10包括一第一电极层102、一光敏材料层104及一第二电极层106。所述第一电极层102、光敏材料层104和第二电极层106重叠设置，构成一三明治结构。其中，所述光敏材料层104位于第一电极层102和第二电极层106之间，并分别与所述第一电极层102和第二电极层106紧密贴合接触并电连接。

所述第一电极层102、第二电极层106可完全覆盖或部分覆盖所述光敏材料层104。本实施例中，所述第一电极层102、一光敏材料层104及一第二电极层106完全重合设置，所述光敏材料层104被所述第一电极层102和第二电极层106完全覆盖。

进一步地，所述光敏电阻10还包括一第一引出电极110、一第二引出电极108。所述第一引出电极110和第二引出电极108间隔设置。所述第一引出电极110与所述第一电极层102电连接，所述第二引出电极108与所述第二电极层106电连接。更进一步地，所述第一引出电极110分别与所述光敏材料层104和第二电极层106电绝缘设置，所述第二引出电极108分别与所述光敏材料层104和第一电极层102电绝缘设置。

可选地，所述光敏电阻10还包括一绝缘基底112，所述绝缘基底112主要起支撑作用。所述绝缘基底112的表面间隔设置有所述第二电极层106和第一引出电极110。所述第二电极层106的表面间隔设置有所述第二引出电极108和光敏材料层104。所述第一电极层102同时设置于所述第一引出电极110和光敏材料层104的表面。

所述光敏材料层104由半导体材料组成，具体地，所述光敏材料层104可由硫化镉、硫化铅、硫化铝、硫化铋、锗和硒中的一种组成。本实施例中，所述光敏材料层104由硫化镉组成。

所述光敏材料层104的厚度在5微米~500微米之间，优选地，所述光敏材料层104的厚度在5微米~150微米之间。本实施例中，所述光敏材料层104的厚度为100微米。与传统的采用梳状金属电极的光敏电阻不同，本发明中的第一电极层102与第二电极层106分别设置于所述光敏材料层104间隔且相对的两个表面上，因此，由光照产生的光敏材料层104中的载流子需要经过整个光敏材料层104才能到达所述电极层。也就是说，载流子在光敏材料层104中经过的路程长短与该光敏材料层104的厚度密切相关。当该光敏材料层104的厚度越小时，载流子经过的路程越短，也就越容易到达所述第一电极层102和第二电极层106，也即能提高所述光敏电阻10的灵敏度。由于载流子在光敏材料层104中向电极层运动的过程中会受到晶格散射、杂质障碍、空穴陷阱等的影响，某些载流子会在运动过程中自动消亡，无法到达电极层。当所述光敏材料层104的厚度越小时，载流子在运动过程中会受到越小的影响，也就会有越多的载流子到达电极层，从而提高该光敏电阻10的灵敏度。

所述第一电极层102为一透明导电薄膜，其包括一碳纳米管薄膜结构1020。本实施例中，所述第一电极层102由一碳纳米管薄膜结构1020组成。

所述碳纳米管薄膜结构1020为一柔性自支撑结构，具体地，所述碳纳米管薄膜结构1020为一具有较薄厚度的面状结构。所述碳纳米管薄膜结构1020的厚度在1纳米~50微米之间。本实施例中，该碳纳米管薄膜结构1020的厚度在0.5微米~5微米之间。

所述碳纳米管薄膜结构1020包括多个均匀分布的碳纳米管1022，该多个碳纳米管1022沿同一方向择优取向排列。所述碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管1022包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。

请一并参见图2至图4，所述碳纳米管薄膜结构1020可以是单个的碳纳米管拉膜1021，也可以由多个碳纳米管拉膜1021层叠设置而成。该碳纳米管拉膜1021包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管1022，且相邻的两个碳纳米管102之间通过范德华力相连，以形成一自支撑的结构。

当所述碳纳米管薄膜结构1020包括多个层叠设置的碳纳米管拉膜1021时，该多个碳纳米管拉膜1021中的碳纳米管1021的排列方向均相同。可以理解，当所述碳纳米管薄膜结构1020包括多个层叠设置的碳纳米管拉膜1021时，该碳纳米管薄膜结构1020具有更高的强度，不容易在使用过程中损坏；同时，该碳纳米管薄膜结构1020也具有更高的电导率。然而，当所述碳纳米管薄膜结构1020中层叠设置了过多的碳纳米管拉膜1021时，会导致整个碳纳米管薄膜结构1020的厚度过大，从而影响该碳纳米管薄膜结构1020的透光率。因此，所述碳纳米管薄膜结构1020中并非设置越多个的碳纳米管拉膜1021越好。优选地，所述碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管拉膜1021的层数不大于5层。更优选地，所述碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管拉膜1021的层数不大于2层。本实施例中，所述碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管拉膜1021的层数为单层。所述单层的碳纳米管拉膜1021的透光率在80%~90%之间。当所述碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管拉膜1021的层数为两层时，该碳纳米管拉膜结构1020的透光率在70%~80%之间。

为了进一步增加所述碳纳米管拉膜1021的透光率，还可以对所述碳纳米管拉膜1021进行激光减薄处理。经过激光减薄后的碳纳米管拉膜1021的透光率可达到95%以上，用作所述第一电极层102后，可显著提高该光敏电阻10的灵敏度。

本发明中的碳纳米管薄膜结构1020，可通过以下方法制备获得：

(S1) 提供一碳纳米管阵列形成于一基底，该阵列优选为超顺排碳纳米管阵列；

(S2) 采用一拉伸工具从上述碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得至少一碳纳米管拉膜1021；以及

(S3) 利用上述碳纳米管拉膜1021制备碳纳米管薄膜结构1020。

在步骤(S1)中，该碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700℃~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；以及（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃~740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟~30分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该定向排列的碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。

所述碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；所述保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。

在步骤(S2)中，该碳纳米管拉膜1021是从超顺排碳纳米管阵列中直接拉取获得,其制备方法具体包括以下步骤: （a）采用一拉伸工具选取该超顺排碳纳米管阵列中的部分碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的部分碳纳米管；以及（b）以一定的速度沿基本垂直于超顺排碳纳米管阵列生长方向拉伸该部分碳纳米管，形成一连续的碳纳米管拉膜1021。

在上述拉伸过程中,在拉力作用下超顺排碳纳米管阵列中的部分碳纳米管沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时,由于范德华力作用,该超顺排碳纳米管阵列中的其它碳纳米管首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管拉膜1021。

在步骤(S3)中，该单个碳纳米管拉膜1021可以作为一碳纳米管薄膜结构1020使用。进一步地，还可以将至少两个碳纳米管拉膜1021重叠铺设得到一碳纳米管薄膜结构1020。

进一步地，还可用功率密度大于0.1×10⁴瓦特/平方米的激光照射该碳纳米管拉膜1021，以得到更薄、透光率更高的薄膜。

所述第二电极层106的结构与材料可与所述第一电极层102相同，即包括一碳纳米管薄膜结构1020或由该碳纳米管薄膜结构1020组成。当所述第二电极层106的结构与材料与所述第一电极层102相同时，所述光敏电阻10可制成一柔性的光敏电阻。所述第二电极层106也可由一金属薄膜或ITO薄膜组成。优选地，所述第二电极层106由一金属薄膜组成。当所述第二电极层106由一金属薄膜组成时，该第二电极层106可进一步反射待测光，从而提高所述光敏电阻10的灵敏度。所述金属薄膜可由铝、铜、银或金等材料制成。

所述第一引出电极110和第二引出电极108可由银、铜、铝等金属或其合金制成，也可由氧化铟锡、金属性碳纳米管等材料制成。所述第一引出电极110和第二引出电极108的形状不限，可以为片状、线状或其它任意形状。本实施例中，优选使用铜金属制成的片状电极。

由于碳纳米管1022的轴向导电性能远远高于其径向导电性能，所述碳纳米管薄膜结构1020在整体上也呈现出导电性能的各向异性。即，沿着碳纳米管1022择优取向排列的方向上，所述碳纳米管薄膜结构1020具有最高的电导率；在垂直于碳纳米管1022择优取向排列的方向上，所述碳纳米管薄膜结构1020具有最低的电导率。所述第一引出电极110与所述第一电极层102电连接时，将所述第一引出电极110设置于所述第一电极层102沿着所述碳纳米管1022择优取向排列的方向的一端。如此设置，可使所述第一电极层102在工作时的导电性能发挥到最佳状态。当所述第二电极层106的结构的材料与所述第一电极层102相同时，所述第二引出电极108设置于所述第二电极层106的方式也与所述第一引出电极110设置于所述第一电极层102的方式相同。

所述绝缘基底112的材料不限，可以为柔性高分子材料，也可以为硅、二氧化硅、石英、玻璃、碳化硅等硬质材料。所述绝缘基底的厚度也不限，只要能起到支撑作用即可。

本发明提供的三明治结构的光敏电阻10，其电极设置方式完全不同于传统的采用梳状金属电极的光敏电阻。本发明利用碳纳米管薄膜结构1020作为光敏电阻10的第一电极层102，可以增加所述第一电极层102的受光面积和透光率，从而可以有效提高该光敏电阻10的光探测灵敏度。同时，由于该碳纳米管薄膜结构1020本身的各向异性，使其偏振方向平行于碳纳米管择优取向排列的方向的光的透过率相对低于偏振方向垂直于碳纳米管择优取向排列的方向的光的透过率，因此，该光敏电阻10也可以做成一偏振光光敏电阻，以检测光的偏振性。

请参见图5，本发明还提供一种采用上述光敏电阻10的偏振光检测系统100，该偏振光检测系统100包括上述光敏电阻10、一电源114及一检测装置116，其中，所述光敏电阻10、电源114和检测装置116通过导线电连接以形成一电流回路。

所述电源114为直流电源，所述电源114的电压在0.01V~2V之间。

所述检测装置116包括一电流检测元件，如安培表，用于检测所述光敏电阻10的电流变化。进一步地，所述检测装置116还可包括一计算机分析系统，用于分析待测光的偏振信息。

本发明利用各向异性的碳纳米管薄膜结构1020作为光敏电阻10的第一电极层102，从而制成一偏振光光敏电阻，再配合检测装置116的使用，从而可实现对偏振光的检测。

请参见图6，本发明进一步提供一种利用所述偏振光检测系统100对偏振光进行检测的方法，其包括以下具体步骤：

S1，提供一偏振光检测系统100，其包括一光敏电阻10、一电源114及一检测装置116，所述光敏电阻10包括一第一电极层102和一光敏材料层104，所述检测装置116包括一电流检测元件及一计算机分析系统；

S2，将一待测光照射到所述光敏电阻10的表面；

S3，利用所述光敏电阻10对该待测光进行偏振识别；

S4，利用所述电流检测元件检测步骤S3中的电流变化；以及

S5，利用所述计算机分析系统分析得到该待测光的偏振信息。

步骤S1中，所述光敏电阻10、电源114和检测装置116通过导线电连接形成一电流回路。

步骤S2中，所述将待测光照射到所述光敏电阻10的表面，是指将待测光照射到所述光敏电阻10中的第一电极层102的表面。

步骤S3中，所述利用所述光敏电阻10对该待测光进行偏振识别，是指通过调整该待测光的发光源与所述光敏电阻10的方位关系，使该待测光透过所述第一电极层102照射到所述光敏材料层104上。所述调整方位关系的方法可以是固定其中一个物体（发光源或光敏电阻10），保持两者的距离不变，并水平转动另一个物体。

步骤S4中，电流检测元件记录的电流大小与该待测光对所述第一电极层102的透过率高低有关。当电流检测元件中的电流达到最小值时，表明该待测光对所述第一电极层102的透过率达到最低，此时，该待测光的偏振方向与所述第一电极层102中的碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管1022的择优取向排列的方向一致。当电流检测元件中的电流达到最大值时，表明该待测光对所述第一电极层102的透过率达到最高，此时，该待测光的偏振方向与所述第一电极层102中的碳纳米管薄膜结构1020中的碳纳米管1022的择优取向排列的方向垂直。

本发明提供的偏振光的检测方法方便快捷，灵敏度高，并且由于所述光敏电阻10中的第一电极层102具有较高的透光率，因此，该检测方法也可用于探测微弱光的偏振信息。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种光敏电阻，其特征在于，所述光敏电阻包括一第一电极层、一光敏材料层及一第二电极层、一第一引出电极及一第二引出电极，所述第一电极层、光敏材料层和第二电极层层叠设置，构成一三明治结构，所述第一电极层和第二电极层分别设置于所述光敏材料层相对的两个表面上，且分别与所述光敏材料层电接触，所述第一电极层包括一第一碳纳米管薄膜结构，所述第一引出电极及第二引出电极相互间隔设置，且所述第一引出电极与所述第一电极层电连接，所述第二引出电极与所述第二电极层电连接，所述第一引出电极分别与所述第二电极层和光敏材料层电绝缘设置，所述第二引出电极分别与所述第一电极层和光敏材料层电绝缘设置。

2.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第一碳纳米管薄膜结构包括多个均匀分布的碳纳米管，所述多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。

3.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第一碳纳米管薄膜结构包括至少一碳纳米管拉膜，所述碳纳米管拉膜包括多个沿同一方向择优取向排列的碳纳米管，且相邻的两个碳纳米管之间通过范德华力相连。

4.如权利要求3所述的光敏电阻，其特征在于，所述碳纳米管拉膜的透光率在80％～90％之间。

5.如权利要求3所述的光敏电阻，其特征在于，所述碳纳米管拉膜的透光率大于等于95％。

6.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第二电极层包括一第二碳纳米管薄膜结构。

7.如权利要求6所述的光敏电阻，其特征在于，所述第二碳纳米管薄膜结构包括多个均匀分布的碳纳米管，所述多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。

8.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第二电极层包括一金属薄膜。

9.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述光敏材料层由硫化镉、硫化铅、硫化铝、硫化铋、锗和硒中的一种组成。

10.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述光敏材料层的厚度在5微米～500微米之间。

11.如权利要求10所述的光敏电阻，其特征在于，所述光敏材料层的厚度在5微米～150微米之间。

12.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层完全覆盖住所述光敏材料层，并与所述光敏材料层紧密贴合在一起。

13.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第一引出电极设置于所述第一电极层沿着所述碳纳米管择优取向排列的方向的一端。

14.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述第二引出电极设置于所述第二电极层沿着所述碳纳米管择优取向排列的方向的一端。

15.如权利要求1所述的光敏电阻，其特征在于，所述光敏电阻进一步包括一绝缘基底，所述第二电极层、第一引出电极和第二引出电极均设置在所述绝缘基底的一表面。