紫外线是指电磁波谱中波长范围在10～400nm之间的电磁波辐射。在许多的民用和军用领域，对于紫外线的探测都是很重要的一部分。TiO2作为一种新型的半导体材料，拥有优秀的紫外光导性能，并且，其原理材料易得，成膜性强，从而可以应用于制作各种性能优良的紫外线探测器。现阶段对于紫外线探测的主要形式还比较粗糙，精确的紫外线图像传感器，例如真空光电紫外图像传感器、全固态紫外图像传感器等都需要比较高的制作工艺，成本较高。本文提出了一种利用TiO2等薄膜材料进行紫外传感阵列的设计，可以有效进行紫外线的检测与图像传感。

概述

紫外线与可见光红外线一样，都是电磁波，其划分依据为波长，其中紫外线的波长范围为10～400nm，其中，在20～400nm范围内，紫外线可分为3种，分别为UVA、UVB和UVC，其中在320～400nm范围内的称为UVA，在290～320nm之间的称为UVB，在200～290nm之间的称为UVC。太阳是地球表面附近最大的紫外光源。其中波长在280nm以下的紫外线在穿过地球大气层时，由于吸收作用和散射作用（主要为吸收作用），其强度大大降低，导致几乎不能到达地球表面，因此该范围内的紫外线又被称为太阳盲紫外或日盲紫外。

因此，当探测器检测到了波段为280nm以下的紫外线时，其不可能为太阳辐射，只能是来自人工发射源。利用这一特征，工作在日盲区的探测器能够对微弱的紫外信号进行探测。

不同的紫外探测器工作机制不同，利用的光敏材料也有所不同，其规模、工作波段及应用背景等方面也不同，根据这些区别，可以对紫外探测器进行如下分类，如可见盲紫外探测器和日盲紫外探测器之分，如利用内光电效应工作的半导体固态光电探测器和利用外光电发射机制工作的光发射探测器之分，如阵列探测器和单元探测器之分，等等。

现有的紫外传感器相对于原工业中所用的可见光传感器，其灵敏度更高、选择性也更好，而且在使用过程中更加节能，发热量也有明显地降低，日常使用成本较低，且可以检测到裸眼看不到的信息。但是，现阶段的紫外线传感器例如紫外图像增强器、紫外增强背照式CCD图像传感器，还有AlGaN基全固态紫外传感器等生产的成本仍然较高，并且有些方式只适用于信号较强的紫外线检测，检测距离较短，结果也不够精确，并且缺乏快速的动态检测能力，这时候，快速响应的紫外探测器研发便迫在眉睫。

纳米材料简介

纳米薄膜是纳米材料的一种，广义上来说，纳米材料是指在空间中至少有一个维度处于1～100nm尺度范围内的材料。由纳米材料制作的器件称之为纳米器件，纳米器件可以使得芯片等半导体元件的集成度进一步得到提高，从而极大地提高计算容量与计算速度。

绝大多数的纳米材料都是人工制备而成，当材料的尺寸减小到纳米范围以后，会表现出许多普通的宏观材料所不具有的特殊效应，例如：

1）小尺寸效应。在纳米材料的尺寸与光波的波长或德布罗意波长等代表材料的物理特性的尺寸相近时，会产生小尺寸效应，最常见的是纳米材料的熔点往往要小于宏观材料。

2）体积效应。体积效应导致了材料化学、物理等特性发生较大的变化，利用纳米材料的体积效应，可以在工业与军事上有很多的应用。例如，纳米粒子的熔点可以显著地降低，从而在粉状工业上有着很多的应用；另外，可以利用改变颗粒尺寸，控制材料对于电磁波的吸收，从而用于电磁屏蔽，制造微波吸收纳米材料，进而应用于隐形飞机涂层等。

3）表面效应。由于纳米材料在有些维度上尺度非常小，导致了其比表面积大大增加，这样使得纳米粒子的表面活性也有显著的提高；另外表面能的急剧增加也會导致纳米材料的化学性能与普通的宏观材料产生差异。

按照维数划分，纳米器件可以分为零维（如纳米线颗粒）、一维（如纳米线、纳米管）、二维（如纳米膜）3种类型。纳米薄膜由于在一个维度上具有纳米级别，所以也具有纳米材料所具有的以上3种特殊的物理效应，这使得SiC纳米线在热学性能、电磁学性能、光学性能、表面活性、光催化性能等方面会有很多新奇的特性，从而在光电领域和电子领域会有非常广泛的应用前景。在本文中，我们就使用TiO2纳米薄膜进行紫外线传感器的制作，相对于块体材料来说，具有更高的敏感性和更小的体积，是未来发展的趋势。

TiO2等材料的紫外光导性能及应用

二氧化钛，化学式为TiO2，其结构如图3所示，是一种两性化合物，分子量为79.83，在化学性质方面无毒，物理特性不透明。另外，TiO2的粘附力强，化学性质不活泼，因此永远是雪白的，可以作为优异的白色颜料。二氧化钛可以广泛应用于涂料、造纸业、印刷油墨等生活生产工业。由于其高熔点，也可以用来制造耐火玻璃等耐高温器皿。

二氧化钛有两种，一种是锐钛矿型（Anatase，简称A型），另一种是金红石型（Rutile，简称R型）。二氧化钛这种材料可以从金红石中用酸分解提取，或由四氯化钛分解也可以得到，其制备方式多种多样，不再赘述。

二氧化钛拥有以下具有很多有特点的性质：首先是表面超亲水性。由于其表面结构在紫外光的照射下，价带的电子被激发到了导带，从而在表面可以生成电子空穴对，这样，当水发生解离时候，分子会吸附在表面的氧空位中成为表面羟基，从而引起表面结构的变化，而表面的吸附水可进一步吸附空气中的水分，导致吸附的水量指数型增加，这样就形成了物理吸附层。导致TiO2具有超亲水性的特点。另外由于表面羟基的效应，TiO2可以吸附更多的单体物质，从而成为一种良好的吸附剂，这样非常有利于表面改性。另外，TiO2的表面酸碱性也是值得研究的方面，在对于TiO2进行改性时，经常会加入Al或Si的氧化物，当这些氧化物单独存在时无明显的酸碱性，但与TiO2复合之后，就会呈现出较强的酸碱性，可以制备固体状态下的超酸或者超碱物质。最后，TiO2具有表面电性。TiO2颗粒在溶液中，表面会形成扩散的双电层，这样，颗粒的有效直径会急剧增加，这些颗粒由于具有相同的电荷，在接近时候会彼此排斥，从而形成稳定的分散系，进而能形成长久的表面电性。endprint

二氧化钛可以被做成纳米薄膜，常用的制备二氧化钛薄膜的方法被分为物理方法和化学方法两种。其中物理方法包括机械粉碎法（即用将原料直接粉碎研磨成超微粉）、惰性气体冷凝法（即在惰性气体环境中蒸发TiO2后急冷）、流动油上真空蒸发法（高能束将TiO2加热蒸发，让蒸发沉积物在油中蒸发形成纳米TiO2）、溅射法（惰性环境下辉光放电，放电中的离子撞击阳极蒸发材料，冷却后形成纳米T i O2）。另外还可以使用化学方法，化学方法包括气相法和液相法。

T i O2是一种宽禁带半导体，它不但物理和化学性质很好，而且光电子学性质也有很大的应用价值。二氧化钛块体材料就可以很好的对紫外线进行隔离遮蔽，常被掺入纺织纤维中作为防晒剂，也可以把超细的二氧化钛粉末加入防晒霜中，从而制成防晒化妆品。而作为一种紫外光电导性材料，二氧化钛在紫外线照射下，可以产生光生载流子，从而在施加电压时候，宏观表现出的电阻有着明显的降低。图4为二氧化钛探测器I-V特性曲线，可以看出二氧化钛在紫外线下，其电流有着明显的增加，本文就是利用这种特性，来使用二氧化钛的薄膜制造紫外线探测仪。

基于TiO2等薄膜材料的紫外传感阵列的设计

该设计大体呈三明治结构。图5为大体外观。最上面的一层线状电极，其电阻可以忽略。中间的一层为二氧化钛薄膜，最下面为一层线状电极（电阻可以忽略）。

其工作的主要原理如下：假如在x1y1处有较强的的紫外线辐照，在x1处施加电压时，由于在X1Y1处的TiO2材料在紫外线光照下，电阻发生了明显的降低，则在y1处可以检测到较大的电流值，而其他的地方通过的电流没有发生明显的变化，从而可以判定在x1y1处有较大的紫外线辐照。探测器在实际工作时，对X的电极上所有电极进行扫描，检测速度为MHZ级，从而可以在Y电极处获得电信号，从而可以在很短的时间内获得紫外线的分布点，从而实现紫外线图像的毫秒级甚至微秒级探测。

结语和展望

T i O2制作的紫外线探测器对于230nm～280nm左右的紫外线具有较好的探测效果，本文构建了一种新型的紫外线探测器结构，利用TiO2作为中间层，将电极的数量大大减小，探测时间降低，检测速度加快，另外使用TiO2纳米薄膜，检测的灵敏度也有明显的提升。本文使用的三明治结构中，TiO2层属于纳米材料，具有廉价的特点，且稳定耐用，但由于纳米材料是一种新兴科技，处于理论阶段，还需进一步完善。

参考文献

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（作者簡介：赵溢洋，北京市顺义区牛栏山第一中学。）endprint