CN108963065B - 一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法 - Google Patents

一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，包括以下步骤：在衬底材料上生长一层绝缘介质层；在绝缘介质层上转移一层多层石墨烯薄膜；对部分多层石墨烯薄膜进行激光烧蚀，使部分多层石墨烯薄膜变成单层石墨烯薄膜；在未经烧蚀的多层石墨烯薄膜的一端淀积第一金属电极，在经激光烧蚀后得到的单层石墨烯薄膜的一端淀积第二金属电极，即得到单层多层石墨烯热电探测器。由于多层石墨烯和单层石墨存在塞贝克系数差，光辐照时，由于衬底和石墨烯层间导热性差异会导致在异质结界面处存在温差，产生热电压，可在第一、第二金属电极处探测到热电流，构建热电探测器具备制作方法简单，体积小，探测灵敏度高等优点。

Description

一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯热电探测器技术领域，具体涉及一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法。
背景技术
石墨烯材料具有独特的零带隙能带结构和近弹道输运的电学性质，其构建的探测器与传统的半导体探测器相比，探测波谱范围宽，响应速度快和截止频率高。多层石墨烯和单层石墨烯具有不同的能带结构和态密度，当进行激光烧蚀时，多层石墨烯的层间热传导性能较差，热量在层间聚集，多层石墨烯会被氧化，厚度减薄，石墨烯层数减少；当石墨烯厚度减薄到单层，因其与衬底之间的导热性能较好，热量可以快速扩散到下方的衬底，故此时石墨烯厚度不再随激光烧蚀而减薄。单层石墨烯和多层石墨烯组合异质结构，即构成了热电探测器件。当接触热辐射源时，器件中单层石墨烯和多层石墨烯不同的温升以及塞贝克系数差异从而产生开路电压：
ΔV＝α1ΔT1-α2ΔT2
其中，α称作塞贝克系数，又称为热电系数，α随着载流子浓度而变，对于空穴而言，α为正，对于电子而言α为负，ΔT为相对于外界的温度上升。多层石墨烯由于自身缺陷而对外显示出n型，并且不随衬底所加栅压而改变，在外加负栅压的情况下，单层石墨烯由于电场效应而产生p型，因此，通过衬底栅压可以在在单层和多层石墨烯界面形成pn结，那么在外界热源存在时，多层/单层石墨烯异质结之间塞贝克系数和温度之差引发的热电流可应用于热电探测领域，具有广泛应用前景。
中国专利CN104979464B公开了一种基于石墨烯异质结的柔性热电转换器件，包括柔性衬底层、在柔性衬底层上依次生长的介质层，第一石墨烯层，第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层交叠放置，构成异质结，第一石墨烯层上生长第一金属电极，第二石墨烯层上生长第二金属电极，该专利通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，并通过光学显微镜找到单层石墨烯，并通过显微镜进行拉曼散射谱测量，确定所选的石墨烯的实际层数，再通过转移技术转移到介质层上，制备工艺较为复杂。
发明内容
本发明提供一种激光烧蚀制备石墨烯热电探测器的方法，得到的石墨烯热电探测器具有探测波谱范围宽、响应速度快、体积小、集成度高的特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，包括以下步骤：
(1)在衬底材料上生长一层绝缘介质层；
(2)在绝缘介质层上转移一层多层石墨烯薄膜；
(3)对部分多层石墨烯薄膜进行激光烧蚀，使部分多层石墨烯薄膜变成单层石墨烯薄膜；
(4)在未经烧蚀的多层石墨烯薄膜的一端淀积第一金属电极，在经激光烧蚀后得到的单层石墨烯薄膜的一端淀积第二金属电极，即得到单层多层石墨烯热电探测器。
进一步地，步骤(1)所述衬底材料为硅材料，也可以是其它刚性或柔性衬底材料，如聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或金属箔片。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层为二氧化硅介质层、氮化硅、氧化铪或氧化铝。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层的厚度为30～200nm。
进一步地，步骤(1)所述绝缘介质层通过氧化或淀积方式生长在衬底材料上。
进一步地，步骤(2)所述多层石墨烯薄膜可替换为MoS2、MOSe2、WS2、WSe2、TiS2或VSe2。
进一步地，步骤(3)激光能量为10-50毫瓦。
进一步地，步骤(4)所述第一金属电极和第二金属电极通过磁控溅射方法、电子束蒸发法或热蒸发法进行沉积，厚度为80-200nm。
进一步地，步骤(4)所述第一金属电极和第二金属电极可采用同种材料，也可采用不同材料，如金、银、铝或铜等。
本发明基于多层石墨烯薄膜经激光烧蚀后减薄成单层石墨烯薄膜的特性，采用激光直写烧蚀方法在石墨烯薄膜内部产生多层/单层石墨异质结构，由于单层石墨烯和多层石墨烯存在塞贝克系数差，因此当光辐照到多层石墨烯—单层石墨烯异质结时，异质结界面处存在温差，产生热电压，可在第一、第二金属电极处探测到热电流。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)外界热源存在时，单层石墨烯与多层石墨烯因塞贝克系数不同而产生热电电流，其用于热电探测领域有广发的应用前景；
2)石墨烯材料具有独特的电学性能，热电探测的探测波谱范围宽，响应速度快和截止频率高，同时，石墨烯材料具有独特的二维平面结构，能很好地实现热电器件的高密度集成，整体结构简单、紧凑。
3)本发明方法仅用到了原位可控的激光烧蚀的方法诱导形成了多层/单层石墨烯异质结构，简单易实现。
附图说明
图1为本发明石墨烯热电探测器的结构示意图；
图2-4分别为本发明石墨烯热电探测器各制备步骤的结构示意图；
图中：1-衬底材料、2-绝缘介质层、3-多层石墨烯层、4-单层石墨烯层、5-第一金属电极、6-第二金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，激光烧蚀制备的石墨烯单层多层热电探测器，参照图2-4，该热电器件的制备步骤为：在衬底材料1上生长一层绝缘介质层2，在绝缘介质层2转移一层多层石墨烯层3，对多层石墨烯层3进行激光直写烧蚀，烧蚀后的多层石墨烯层3变成单层石墨烯层4。
在未经烧蚀的多层石墨烯层3一端淀积第一金属电极5，在经激光烧蚀后从多层石墨烯层3变成单层石墨烯层4的薄膜一端淀积第二金属电极6。基于多层石墨烯薄膜经激光烧蚀后减薄成单层石墨烯薄膜的特性，在石墨烯薄膜内部产生多层—单层石墨异质结构，由于单层石墨烯和多层石墨烯存在塞贝克系数差，因此当光辐照到多层石墨烯—单层石墨烯异质结时，异质结界面处存在温差，产生热电压，可在第一、第二金属电极处探测到热电流，具有探测波谱范围宽，响应速度快，体积小，集成度高的特点。
其中，衬底材料1的材质为硅，绝缘介质层2为二氧化硅介质层，该二氧化硅介质层的厚度为300nm，多层石墨烯层3厚度为20nm。
在实际制备过程中，在硅衬底先淀积一层二氧化硅介质层，以增加多层石墨烯与硅衬底1之间的粘附性，多层石墨烯通过转移直接生长在二氧化硅介质层上，随后采用激光对多层石墨烯进行烧蚀，激光能量为15毫瓦，最后，通过磁控溅射方法分别在多层石墨烯一端、单层石墨烯一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。本实施例中，第一金属电极5与第二金属电极6的厚度均为200nm，材质均为金。
实施例2
本实施例中，衬底材质为柔性聚萘二甲酸乙二醇酯，介质层为氮化硅介质层，该氮化硅介质层的厚度为100nm；多层石墨烯3的厚度为20nm。
制备时，通过标准机械剥离工艺获得多层石墨烯，再转移至氮化硅介质层上，随后对多层石墨烯层进行烧蚀，激光能量为20毫瓦，最后，通过电子束蒸发法分别在多层石墨烯一端、单层石墨烯一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。本实施例中，第一金属电极与第二金属电极的厚度均为100nm，材质均为铝。其余同实施例1。
实施例3
本实施例中，衬底的材质为聚酰亚胺，介质层为氧化铝介质层，该氧化铝介质层的厚度为200nm；在介质层上转移一层多层二维材料层，二维材料层为多层二硫化钼薄膜，该二硫化钼层的厚度为16nm。
制备时，通过高温真空合成法制备多层二硫化钼薄膜，再转移至氧化铝介质层上，随后采用激光对多层二硫化钼薄膜进行辐照，激光能量为10毫瓦。最后，通过热蒸发法分别在经过没有经过烧蚀的多层二硫化钼薄膜3、经过烧蚀的单层二硫化钼薄膜一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。本实施例中，第一金属电极材质均为银，厚度80nm，第二金属电极材质的材质为金，厚度80nm，其余同实施例1。
实施例4
本实施例中，衬底的材质为金属箔片柔性衬底，介质层为氧化硅介质层，该氧化硅介质层的厚度为500nm；在介质层上转移一层多层二维材料层，所述二维材料层为多层硫化钨薄膜，该多层硫化钨薄膜的厚度为30nm。
制备时，通过气相输运法法制备多层硫化钨薄膜，再转移至氧化硅介质层上，随后采用激光对多层硫化钨薄膜进行烧蚀，激光能量为25毫瓦，烧蚀结束后通过刻蚀去除光刻胶，最后，通过热蒸发法分别在没有经过烧蚀的多层二硫化钼薄膜、经过烧蚀的单层二硫化钼薄膜一端淀积一层金属隔膜，然后通过剥离工艺，制成第一金属电极及第二金属电极。本实施例中，第一金属电极与第二金属电极材质的厚度均为80nm，材质均为金，其余同实施例1。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在衬底材料上生长一层绝缘介质层；
（2）在绝缘介质层上转移一层多层石墨烯薄膜；
（3）对部分多层石墨烯薄膜进行激光烧蚀，使部分多层石墨烯薄膜变成单层石墨烯薄膜，激光能量为10-50毫瓦；
（4）在未经烧蚀的多层石墨烯薄膜的一端淀积第一金属电极，在经激光烧蚀后得到的单层石墨烯薄膜的一端淀积第二金属电极，即得到单层多层石墨烯热电探测器。
2.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（1）所述衬底材料为硅材料。
3.根据权利要求2所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（1）所述绝缘介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铪或氧化铝。
4.根据权利要求3所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（1）所述绝缘介质层的厚度为30～200nm。
5.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（1）所述绝缘介质层通过氧化或淀积方式生长在衬底材料上。
6.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（2）所述多层石墨烯薄膜替换为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、TiS2或VSe2。
7.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（4）所述第一金属电极和第二金属电极通过磁控溅射方法、电子束蒸发法或热蒸发法进行沉积，厚度为80-200 nm。
8.根据权利要求1所述的一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法，其特征在于，步骤（4）所述第一金属电极和第二金属电极采用同种材料，或采用不同材料。
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