CN103236469A - 碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法 - Google Patents

碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法 Download PDF

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碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法，它涉及一种材料的制备方法及采用此材料制备光探测器的制备方法。本发明为了解决现有硅基底无法满足便携、耐磨损、可伸缩以及较高的透明度的技术问题。材料的制备：将镓与碲混合、保温，却至室温，即得。光探测器的制备：制备二维结构的碲化镓半导体，以铜制掩膜为模板利用真空镀膜机在二维结构的碲化镓半导体的表面沉积电极，得到器件，将器件退火处理即得光探测器。本发明因为采用柔性、透明的聚对苯二甲酸乙二酯为基底，所以制备的可以任意的弯曲、且透光性好，单个器件大小在几百个微米左右。本发明属于光探测器材料及制备领域。

Description

碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种材料的制备方法及采用此材料制备光探测器的制备方法。
背景技术
目前二维半导体材料，像二硫化钼、氮化硼以及二维镓族层状材料的发展状况。作为二维层状材料的代表，石墨烯无论是在基础研究还是实际应用方面都引起了极大的关注。但是，石墨烯的零带隙和半金属性都严重的阻碍了它在半导体器件领域的应用。所以，其它的类石墨烯二维材料在目前的材料、物理、化学等领域都引起了广泛的关注。尽管二维半导体材料近几十年才刚刚兴起，但是很多研究都表明其很多光电特征可以弥补石墨烯的不足。此外这些二维半导体材料的物理、化学性能可以通过掺杂或者引入插层原子或分子的形式来进行修饰以满足不同器件的需要。由于其较大的比表面积、多种特殊的光学电学性质，在不久的将来包括石墨烯在内的二维层状材料将会在各个领域得到应用。包括电子电路，自旋电子学，光激二极管，非线性光学材料，太赫兹产生，探测器件，超级电容器，锂离子电池，太阳能电池，化学和生物传感器以及催化等领域。虽然已经进行了h-BN、过渡金属二硫化物及其它二维半导体电学性能的理论研究，但是其它的基础研究像光学、机械、化学等性能还没有得到充分的研究。目前这些材料在理论上的特殊性能亟需相应实验来验证。与石墨烯及h-BN相比，在生长大面积、高质量的单层或少层的过渡金属二硫化物及其它二维半导体方面依然很困难。目前已经有不少合成二维半导体材料的方法，例如：化学气相沉积、范德华外延以及化学反应等方法。但是这些产物的质量与产率远达不到实际应用的要求。无论是在基础研究还是实际应用领域，在合成二维半导体材料上，对材料的大小、形状、边缘以及层数的控制都至关重要。尽管类石墨烯二维层状材料还处在襁褓之中，但是已经探知的其相关的特异性能吸引了更多的研究人员去进行进一步探索。二维结构的半导体材料不仅在性能上具备了场效应晶体管、光电子器件所需达到的要求，而且在机械性能、力学要求上对于构筑复杂的器件都有很好的适应性，因此能够赢得越来越多科学工作者的青睐，石墨烯的发现拉开了一种新型二维层状材料的研究序幕，二维半导体功能材料为满足电子科技的高速发展和能源新材料的研究注入了新的血液。
综上所述，二维功能材料具有重要的研究价值和意义，它的出现将推动信息革命的进一步发展，在电子工业中采用此种材料可以实现电子器件、光电器件的微纳化、高密度集成化，制备出体型更小、质量更轻、性能更稳定的电子产品，进一步满足人们在现实生活中的种种需求。随着技术的发展，对未来的电子器件也提出了更多的更先进的要求，例如：便携、耐磨损、可伸缩以及较高的透明度。所以这就要求那些建立在关键设备上的电子系统需要柔性透明的基底来支撑。柔性透明的电子器件不仅能够增加电子设备的美观，而且还有更多其它功能。例如：高的光透过性、机械可伸缩性等。目前的电子设备主要以硬质基底，不透明的硅技术为主。这些硅基底无法满足便携、耐磨损、可伸缩以及较高的透明度等要求。发明内容
本发明的目的是为了解决现有硅基底无法满足便携、耐磨损、可伸缩以及较高的透明度的技术问题，提供了一种碲化镓二维材料的制备方法及二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法。
碲化镓二维材料的制备方法按照以下步骤进行：
将镓与碲按照1∶1.15-3的摩尔比混合，然后在氩气气流量为10～30sccm、450-550℃的条件下保温1-3小时，然后再以20-30℃/h的升温速度升至840-900℃，并保温1小时，然后自然冷却至室温，得到碲化镓二维材料。
二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法如下：
一、将碲化镓二维材料剥离成长为30-60微米、宽为30-40微米、厚度为2-15纳米的碲化镓二维材料薄层；
二、将碲化镓二维材料薄层粘在聚对苯二甲酸乙二酯上，干燥后得到二维结构的碲化镓半导体；
三、以铜制掩膜为模板利用真空镀膜机在二维结构的碲化镓半导体的表面沉积大小为1mm×1mm、电极间距为10μm、厚度为60～100nm的电极，其中电极中铬层厚20～40nm，金层厚40～60nm，得到器件；
四、将器件放在管式炉中，在温度为100-200℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min，得到二维结构碲化镓柔性透明光探测器，其中氩气与氢气的混合气中氩气与氢气的体积比为9∶1。
本发明具有如下优点：
一、本发明在制备二维纳米材料的方法上选取胶带这种低成本、易操作的工具，方便的分离、转移出了厚度仅有几个纳米的片层半导体；
二、本发明在制备器件电极的工艺上，选择真空热蒸镀的方法较常规的磁控溅射制备电极成本大大降低，材料与电极接触良好，阻抗很低；
三、本发明因为采用柔性、透明的聚对苯二甲酸乙二酯为基底，所以制备的可以任意的弯曲、且透光性好，单个器件大小在几百个微米左右，可通过大规模集成，制备高效的光电转换电池，且器件的形状和大小完全取决于所用的模板，具有很好的加工性能。
本发明制备的二维功能材料碲化镓光探测器对可见光的响应率很大，相应时间约在30ms以下，响应灵敏度高，并在弯折多次后光响应基本没有变化，二维功能材料碲化镓光探测器是很稳定的。
附图说明
图1是试验一制备的碲化镓二维材料薄层的扫描电镜照片；
图2是试验一制备的碲化镓二维材料薄层的原子力厚度表征图；
图3是试验一制备的碲化镓二维材料薄层的原子力厚度测试结果；
图4是试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光学照片；
图5是试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器在不同波长的光照下的伏安特性曲线图，图中A表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在黑暗条件下时的伏安特性曲线，B表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为254nm时的伏安特性曲线，C表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为365nm时的伏安特性曲线，D表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为490nm时的伏安特性曲线，E表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为530nm时的伏安特性曲线，F表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为610nm时的伏安特性曲线，G表示二维结构碲化镓柔性透明光探测器在光照波长为710nm时的伏安特性曲线；
图6是试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器在不同光强度的可见光照下时间电流曲线，图中A表示波长为490nm、强度为0.246mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，B表示波长为490nm、强度为0.303mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，C表示波长为490nm、强度为0.383mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，D表示波长为490nm、强度为0.475mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，E表示波长为490nm、强度为0.572mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，F表示波长为490nm、强度为0.668mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，G表示波长为490nm、强度为0.759mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线，H表示波长为490nm、强度为0.846mW/cm2二维功能材料碲化镓光探测器的时间电流曲线；
图7是不同弯折次数下试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，图中
Figure BDA00003084529200031
表示没有弯折的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，
Figure BDA00003084529200032
表示弯折20次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，
Figure BDA00003084529200041
表示弯折40次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，表示弯折60次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，
Figure BDA00003084529200043
表示弯折80次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图，
Figure BDA00003084529200044
表示弯折80次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的I-V曲线图；
图8是不同弯折次数下试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光电相应曲线图，图中
Figure BDA00003084529200045
表示没有弯折的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光电相应曲线图，
Figure BDA00003084529200046
表示弯折50次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光电相应曲线图，
Figure BDA00003084529200047
表示弯折100次二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光电相应曲线图；
图9是试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的照片；
图10是试验一制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器的照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式碲化镓二维材料的制备方法按照以下步骤进行：
将镓与碲按照1∶1.15-3的摩尔比混合，然后在氩气气流量为10～30sccm、450-550℃的条件下保温1-3小时，然后再以20-30℃/h的升温速度升至840-900℃，并保温1小时，然后自然冷却至室温，得到碲化镓二维材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是将镓与碲按照1∶1.15的摩尔比混合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是氩气气流量为10～30sccm。其它与具体实施方式一或二之一不相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是在500℃的条件下保温。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是以22℃/h的升温速度升至880℃，并保温1小时。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是以25℃/h的升温速度升至850℃，并保温1小时。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法如下：
一、将碲化镓二维材料剥离成长为30-60微米、宽为30-40微米、厚度为2-15纳米的碲化镓二维材料薄层；
二、将碲化镓二维材料薄层用思高胶带粘在清洗过的聚对苯二甲酸乙二酯上，反复轻压排去胶带和聚对苯二甲酸乙二酯间的气泡，撕去胶带，用乙醇清洗基底以除去残留的胶印，干燥后得到二维结构的碲化镓半导体；
三、以铜制掩膜为模板利用真空镀膜机在二维结构的碲化镓半导体的表面沉积大小为1mm×1mm、电极间距为10μm、厚度为60～100nm的电极，其中电极中铬层厚20～40nm，金层厚40～60nm，得到器件；
四、将器件放在管式炉中，在温度为100-200℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min，得到二维结构碲化镓柔性透明光探测器，其中氩气与氢气的混合气中氩气与氢气的体积比为9∶1。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤一中将碲化镓二维材料剥离成长为40微米、宽为35微米、厚度为10米的碲化镓二维材料薄层。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤二中电极中铬层厚30nm，金层厚50nm。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是步骤三中在温度为100℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min。其它与具体实施方式七至九之一相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：
碲化镓二维材料的制备方法按照以下步骤进行：
将镓与碲按照1∶1.15的摩尔比混合，然后在氩气气流量为15sccm、500℃的条件下保温2小时，然后再以25℃/h的升温速度升至850℃，并保温1小时，然后自然冷却至室温，得到碲化镓二维材料。
二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法如下：
一、将碲化镓二维材料剥离成长为45微米、宽为35微米、厚度为8纳米的碲化镓二维材料薄层；
二、将碲化镓二维材料薄层用思高胶带粘在清洗过的聚对苯二甲酸乙二酯上，反复轻压排去胶带和聚对苯二甲酸乙二酯间的气泡，撕去胶带，用乙醇清洗基底以除去残留的胶印，干燥后得到二维结构的碲化镓半导体；
三、以铜制掩膜为模板利用真空镀膜机在二维结构的碲化镓半导体的表面沉积大小为1mm×1mm、电极间距为10μm、厚度为800nm的电极，其中电极中铬层厚40nm，金层厚40，得到器件；
四、将器件放在管式炉中，在温度为100℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min，得到二维结构碲化镓柔性透明光探测器，其中氩气与氢气的混合气中氩气与氢气的体积比为9∶1。
将二维结构碲化镓柔性透明光探测器在暗室无光照、偏置电压为1V的条件下进行伏安特性曲线测试。将二维结构碲化镓柔性透明光探测器在在光照波长为254nm、365nm、490nm、530nm、610nm、710nm的条件下进行伏安特性曲线测试，测试结果如图5。
本试验制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器在不同弯折次数后的I-V曲线图如图7所示，从图中看出二维结构碲化镓柔性透明光探测器在不同弯折次数后I-V曲线基本没有变化。
本试验制备的二维结构碲化镓柔性透明光探测器在不同弯折次数后的光电相应曲线图如图8所示，从图中看出二维结构碲化镓柔性透明光探测器的光导大小及响应时间都基本没有变化。
从以上的试验结果可知二维结构碲化镓柔性透明光探测器功能可以得以很好的实现。从图中可以看出二维功能材料碲化镓光探测器对可见光的响应率很大，相应时间约在30ms以下，响应灵敏度高，并在弯折多次后光响应基本没有变化证明可器件是很稳定的。

Claims (10)

1.碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于碲化镓二维材料的制备方法按照以下步骤进行：
将镓与碲按照1∶1.15-3的摩尔比混合，然后在氩气气流量为10～30sccm、450-550℃的条件下保温1-3小时，然后再以20-30℃/h的升温速度升至840-900℃，并保温1小时，然后自然冷却至室温，得到碲化镓二维材料。
2.根据权利要求1所述碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于将镓与碲按照1∶1.15的摩尔比混合。
3.根据权利要求1所述碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于氩气气流量为10～30sccm。
4.根据权利要求1所述碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于在500℃的条件下保温。
5.根据权利要求1所述碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于以22℃/h的升温速度升至880℃，并保温1小时。
6.根据权利要求1所述碲化镓二维材料的制备方法，其特征在于以25℃/h的升温速度升至850℃，并保温1小时。
7.二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法，其特征在于二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法如下：
一、将碲化镓二维材料剥离成长为30-60微米、宽为30-40微米、厚度为2-15纳米的碲化镓二维材料薄层；
二、将碲化镓二维材料薄层粘在聚对苯二甲酸乙二酯上，干燥后得到二维结构的碲化镓半导体；
三、以铜制掩膜为模板利用真空镀膜机在二维结构的碲化镓半导体的表面沉积大小为1mm×1mm、电极间距为10μm、厚度为60～100nm的电极，其中电极中铬层厚20～40nm，金层厚40～60nm，得到器件；
四、将器件放在管式炉中，在温度为100-200℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min，得到二维结构碲化镓柔性透明光探测器，其中氩气与氢气的混合气中氩气与氢气的体积比为9∶1。
8.根据权利要求7所述二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法，其特征在于步骤一中将碲化镓二维材料剥离成长为40微米、宽为35微米、厚度为10米的碲化镓二维材料薄层。
9.根据权利要求7所述二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法，其特征在于步骤二中电极中铬层厚30nm，金层厚50nm。
10.根据权利要求7所述二维结构碲化镓柔性透明光探测器的制备方法，其特征在于步骤三中在温度为100℃、氩气与氢气的混合气中退火处理15min。
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