通过等离子体增强原子层沉积技术制备的可调谐铪掺杂InZnO薄膜晶体管

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Tunable hafnium-doped InZnO thin film transistors via plasma-enhanced atomic layer deposition

ZnO紫外探测器在刚性玻璃和柔性基底上的性能比较显示柔性基底传感器具有更优的光响应度、响应时间和外量子效率，且医疗胶带作为柔性基底表现出良好的应用潜力，为可穿戴设备监测紫外线暴露提供有效解决方案。

　　

Fatemeh Bagheri|Hamid Haratizadeh|Rasool Askari

伊朗沙赫鲁德技术大学物理系，邮编3619995161，沙赫鲁德

摘要

本研究调查了将两种不同类型的玻璃（作为刚性基底）和聚合物（作为柔性基底）用于制造光电探测器的性能。基于ZnO的紫外线探测器通过一种简单且成本效益高的工艺制备而成。虽然两种光电探测器都对紫外线有明显的响应，但基于柔性基底的传感器在光响应性、响应时间、外部量子效率（EQE）以及光电流（I_light/I_dark）方面表现更优。柔性基底传感器的I_light/I_dark比值（1980）几乎是刚性基底传感器（680）的三倍。同样，柔性基底传感器的EQE也显著高于刚性基底传感器（167.5% vs 60.7%）。在不同光照条件下对柔性基底传感器的性能进行了评估，数据表明其响应性与对紫外线LED辐射的响应之间存在强相关性。这一发现验证了其在实际应用中的可靠性。将这些传感器集成到可穿戴技术中，可以有效地监测个体的紫外线暴露情况，这对夏季的健康保护尤其有益。

引言

紫外线光电探测器在多种应用中发挥着重要作用，包括皮肤癌预防、水净化、火焰检测、光通信和导弹发射检测[1,2]。其中，准确的紫外线辐射监测对于预防性医疗保健至关重要，因为紫外线暴露可能导致各种皮肤健康问题，如癌症、炎症和皱纹[3,4]。由于阳光是人类紫外线暴露的主要来源，因此监测紫外线辐射（特别是UVA波长范围）尤为重要。太阳紫外线（100–400 nm）光谱包括三个区域：UVC、UVB和UVA。尽管地球大气层吸收了大部分UVC和UVB辐射，但UVA（315–400 nm）仍能到达地表，对人类健康构成潜在风险[5]。图1显示了这一现象。

可穿戴电子技术因其轻便、舒适、紧凑和价格合理而成为紫外线检测的理想选择，这些优点使得它们具有出色的传感性能[6]。基于这些优势，研究人员最近专注于开发用于可穿戴应用的柔性传感器。为了实际应用，这些柔性紫外线光电探测器还需具备理想的光学性能，包括高灵敏度、良好的光谱选择性、高的光电流比（I_light/I_dark）、快速的响应时间和长期稳定性[7],[8],[9]。为了实现具有合适性能的柔性传感器，人们研究了多种方法，包括改进传感材料、选择合适的基底以及开发简单且成本效益高的制造工艺。

包括金属氧化物半导体（MOSs）、复合材料和金属有机框架（MOFs）在内的纳米结构材料在各种传感应用中得到了广泛研究[10],[11],[12],[13]。在各种半导体中，ZnO因其3.37 eV的宽带隙能量（对应于紫外线波长）和较大的激子结合能（60 meV）而被用于制造紫外线可穿戴光电探测器。这些特性使其成为室温下理想的光敏材料[6,11,14,15]。柔性紫外线探测器可以轻松集成到服装、手环和其他可穿戴设备中，能够在户外环境中即时测量太阳紫外线辐射，并评估焊接现场或高压电力设施等危险环境中的暴露水平，从而为用户提供及时警报。因此，大量研究集中在基于ZnO的可穿戴技术开发上。例如，Pathak等人[4]通过在PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）上丝网印刷碳纳米管和ZnO，开发出了一种选择性强的柔性紫外线传感器。他们发现纳米复合材料提高了紫外线传感性能（重复性、响应时间、机械稳定性），使得传感器成本低廉且适合穿戴。Pimentel等人[16]的研究表明，基底材料显著影响了ZnO纳米线紫外线传感器的光响应。值得注意的是，生长在Whatman纸上的ZnO纳米线的光响应性能是生长在普通纸上的三倍。研究人员将这种灵敏度的提高归因于ZnO纳米线的高表面积与体积比。

溅射、旋涂、化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶和水热法等技术可用于合成不同形态的ZnO[12,17,18]。与其他方法相比，水热法更具吸引力，因为它成本低廉且适合大规模生产[12,17,18]。因此，可以通过简单且经济的方法制造基于MOS的柔性紫外线传感器，从而实现可穿戴设备的大规模生产。

本文采用水热法合成了二维ZnO纳米片，并研究了其在刚性和柔性基底上的性能。研究结果表明，医用胶带是一种特别适合用于可穿戴传感器的基底，因其柔韧性、生物相容性、稳定性和成本效益使其成为商业应用中的理想选择。

材料合成

ZnO纳米结构的合成采用水热法进行。首先制备了含有0.02 M醋酸锌（Zn(CH₃COO)₂?2H₂O）和0.03 M尿素（CO(NH₂)₂的去离子水溶液。为获得均匀溶液，将混合物在室温下用磁力搅拌器搅拌15分钟。随后在120°C下于100 ml高压釜中水热处理5小时。经过多次水洗和乙醇洗涤后，

ZnO的表征

采用XRD分析对合成样品的晶体结构进行了表征，如图2a所示。图中明显的（100）、（002）和（101）平面峰表明样品具有六方纤锌矿结构（JCPDS编号361451）。图中没有其他相的存在，证实了样品的高纯度。

图2b-d展示了合成ZnO粉末以及在刚性和柔性基底上沉积的薄膜的FE-SEM图像。

结论

通过简单的水热法合成了ZnO纳米结构，用于制造紫外线光电探测器。将制备好的ZnO通过滴铸技术沉积在刚性和柔性基底上，以研究和比较基于这些基底的传感器的性能。在365 nm波长、0.2–0.6 mW/cm²的辐照强度和2–10 V的偏压下，对紫外线传感性能进行了表征。结果表明，基于柔性基底的传感器表现出更好的性能。

CRediT作者贡献声明

Fatemeh Bagheri：撰写初稿、可视化处理、数据验证、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析。

Hamid Haratizadeh：撰写初稿、数据验证、项目监督、概念构思。 Rasool Askari：方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。

资助

本项工作得到了伊朗国家科学基金会（INSF）和伊朗纳米技术创新委员会（INIC）在项目编号4035658下的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Sahar Afzali在材料合成过程中提供的宝贵帮助。