一种光产生热电子电流的方法

摘要

本发明公开了一种光产生热电子电流的方法，该方法利用简单易得的三角形铜箔和容易制备的氧化锌掺铝薄膜之间的物理接触，然后利用氦氖激光照射三角形铜箔与薄膜表面接触角的角尖，激发铜箔表面产生表面等离子体激元，通过表面等离子体的电磁衰减在铜箔表面产生高能的热电子，通过金属铜和半导体之间合适的势垒，产生热电子电流。本发明通过调节三角形铜箔与薄膜表面接触角的角度，即可实现不同效率的光转化热电子电流，方法简单，易于集成。

说明书

技术领域

本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种将光转换为电的方法。

背景技术

将光能转换为电能的技术具有重要的、广泛的应用，如太阳能光伏电池、光电探测、光催化等。

传统的将光转换为电的方法都是基于半导体的p-n结技术，该技术需要采用掺杂的方法制备n型和p型半导体材料以形成pn结，并且对材料的质量要求高。该技术的原理是半导体材料吸收光，产生电子和空穴对，p-n结内电场的作用使电子和空穴分离，对外产生电势或电流。该技术存在一些缺点，如结构复杂、制作步骤多，要求昂贵的设备及对环境的洁净程度要求高，导致器件制作成本高，并且也不利于高度的光电器件集成。

近来，已经提出了纳米金属颗粒(例如Au或Ag)/半导体Schotty二极管结构来实现光电转换。但是该方法中，纳米金属颗粒的制备仍然复杂和成本高，光电转换效率也不高。

寻求将光能转换为电能的新方法以简化器件结构、降低材料及器件制作成本、提高器件光电转换效率及提高器件的集成度一直是科技界和工业界的追求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于解决上述普通半导体p-n结制作光电转化器件所存在的问题，提供一种简单的易于制作和集成的光电转换方法，即光在金属上产生热电子而产生电流的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在玻璃衬底上通过磁控溅射沉积上一层氧化锌掺铝薄膜，并在薄膜表面垂直立一片三角形铜箔，使三角形铜箔的任意一角的角尖与薄膜表面接触，然后用氦氖激光照射三角形铜箔与薄膜表面接触角的角尖，即可产生热电子电流。

上述三角形铜箔与薄膜表面接触角的角度优选为10°～40°，且进一步优选三角形铜箔中的最大角的角度不超过90°。

上述三角形铜箔的厚度为6～12μm。

上述氧化锌掺铝薄膜的厚度为80～200nm。

本发明进一步优选在三角形铜箔表面沉积一层氧化铜薄膜，且三角形铜箔表面沉积的氧化铜薄膜的厚度优选为5～20nm。

本发明利用简单的三角形铜箔和容易制备的氧化锌掺铝薄膜之间的物理接触，然后利用激光照射三角形铜箔与薄膜表面接触角的角尖，根据三角形铜箔与薄膜表面接触角的角度不同，其将光转化成热电子电流的能力不同，其光电转化的效率也不同。

本发明使用氧化锌掺铝薄膜和三角形铜箔构成的光电转化的结构器件，在该器件中，通过光照射在三角形铜箔与氧化锌掺铝薄膜表面接触角的角尖，激发表面等离子体激元和通过表面等离子体的电磁衰减在铜金属表面上产生高能的热电子，这些高能热电子越过金属铜和氧化锌掺铝薄膜之间的势垒，产生光电流。

附图说明

图1是实施例1光电转换的器件结构图，其中1是玻璃衬底，2是氧化锌掺铝薄膜，3是等腰三角形铜箔，4是激光光斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不仅限于这些实施例。

实施例1

将玻璃衬底用去离子水与质量分数为30％的双氧水水溶液、质量分数为30％的氨水水溶液的体积比为3:1的混合液清洗后，然后再将玻璃衬底依次在乙醇、丙酮、异丙醇中各超声清洗10分钟，用氮气吹干；将清洗干净的玻璃衬底固定在衬底拖上，然后将氧化锌掺铝靶通过机械手传送至磁控溅射沉积设备的沉积室内。用机械泵和分子泵将沉积室抽真空至1×10^-4Pa，调节玻璃衬底和氧化锌掺铝靶的距离为6cm，然后将玻璃衬底加热至400℃，接着打开氩气通气阀，并打开质量流量计，控制氩气流量为20sccm，开始沉积掺杂2wt％铝的氧化锌薄膜，沉积的激光功率为40W，沉积时间为1小时，沉积结束后，自然冷却至室温，得到厚度为100nm的氧化锌掺铝薄膜。如图1所示，将厚度为10μm的等腰三角形铜箔垂直立于氧化锌掺铝薄膜上，使等腰三角形铜箔的顶角与薄膜表面接触(物理接触)，等腰三角形铜箔的顶角为10°，用导线将等腰三角形铜箔的底边与氧化锌掺铝薄膜相连接，并在导线上串联电流表，用直径为2mm、功率为5mW的氦氖激光照射等腰三角形铜箔顶角的角尖部分，产生的热电子电流为0.54nA。

实施例2

本实施例中，等腰三角形铜箔的顶角为20°，其他步骤与实施例1相同，产生的热电子电流为0.48nA。

实施例3

本实施例中，等腰三角形铜箔的顶角为40°，其他步骤与实施例1相同，产生的热电子电流为0.32nA。

实施例4

本实施例中，将等腰三角形铜箔用去离子水超声30分钟，然后用氮气吹干，再将清洗干净的等腰三角形铜箔用上述实施例1中的磁控溅射法，在氩气的保护下，以氧化铜为靶材，在等腰三角形铜箔表面沉积一层10nm厚的氧化铜薄膜。以该表面沉积氧化铜薄膜的等腰三角形铜箔替换实施例1中的等腰三角形铜箔，其他步骤与实施例1相同，由于氧化铜薄膜能增加光的吸收，因此产生的热电子电流为0.83nA。