CN109216483A - 单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件 - Google Patents

单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件，该单层MoS2同质结包含：n型MoS2和相邻的p型掺杂MoS2，二者构成p‑n同质结；其中，该p型掺杂MoS2是由单层MoS2薄膜经过选区p型离子掺杂得到的。在不引入新材料的前提下，利用简单的化学掺杂方式构造同质p‑n结，可以有效提高光生电子空穴分离效率和传输速度，提升由其制备的光探测器的响应度，具有工艺简单，低功耗等优点，还可以应用于柔性整流二极管、开关二极管、太阳能电池等电子元件中，在柔性传感、医疗检测、可穿戴器件方面具有良好的应用前景。

Description

单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件
技术领域
本公开属于光电材料和柔性材料技术领域，涉及一种单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件。
背景技术
近些年来，随着石墨烯的成功制备与广泛应用，越来越多的二维材料受到了关注。诸如具有半导体性的过渡金属卤族化物(MX2，M＝Mo，W，Ta；X＝S，Se，Te)，绝缘的层状氮化硼(BN)、黑磷(BP)以及其他新型材料。其中，以MoS2为代表的过渡金属卤族化物因为其良好的半导体特性，光学特性等成为电子器件领域的研究热点，在柔性传感，医疗检测，可穿戴器件等方面具有很大的应用前景。
MoS2具有禁带宽度随厚度变化的特点。单层MoS2的带隙为1.8eV，且为直接带隙。因此，单层MoS2晶体管具有很好的开关特性，开关比高达106，同时，卓越的光学特性也使它成为光电子器件的重要材料之一。然而，单层材料受基底样貌，外界环境影响较大。当光照射在材料上时，光生电子空穴被激发分离，经由源、漏电极导出形成光电流。但是外界环境以及材料本身存在大量陷阱，光生电子和空穴传输受阻，未被及时导出的电子空穴容易再次复合，极大的降低了器件的光响应度。
目前，解决此问题的方法主要有两类。一是采用栅压调控方式，在高的栅压下，自由电子被耗尽，光电响应被放大。二是与其他半导体材料形成异质结，更加有效的分离光生电子空穴。然而，这两类方法都存在各自的弊病和缺点。对于栅压调控方式，要达到理想的改变，通常栅压需要很高，如此高的栅压不仅功耗巨大而且容易烧坏材料，降低器件寿命；并且，目前栅控方式普遍构造于硅基底上，无法在柔性领域应用。对于异质结方式，通常需要引入新的材料，这种方式增加了工艺难度，限制了器件的使用环境；并且新材料的引入可能破坏主体材料，影响光响应表现。因此，构造具有高的光电表现兼具低功耗、柔性、工艺简单等特点的光探测器成为研究重点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种单层MoS2同质结，包含：n型MoS2和相邻的p型掺杂MoS2，二者构成p-n同质结；其中，该p型掺杂MoS2是由单层MoS2薄膜经过选区p型离子掺杂得到的。
在本公开的一些实施例中，选区的掺杂面积为单层MoS2薄膜面积的30％～70％。
在本公开的一些实施例中，选区的掺杂浓度为：0.01mol/L～10mol/L。
在本公开的一些实施例中，单层MoS2同质结以柔性材料为基底。
在本公开的一些实施例中，单层MoS2同质结以硬质材料为基底。
根据本公开的另一个方面，提供了单层MoS2同质结的制备方法，包括：在基底上制备单层MoS2；在单层MoS2涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结。
在本公开的一些实施例中，基底的材料为柔性材料时，在基底上制备单层MoS2包括：采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长单层MoS2；或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上；以及将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底上；当基底的材料为硬质材料时，在基底上制备单层MoS2包括：采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长单层MoS2；或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上。
在本公开的一些实施例中，将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底上包括：涂覆一层PMMA薄膜于单层MoS2上；利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的单层MoS2并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
在本公开的一些实施例中，对选区的MoS2进行p型掺杂包括：利用化学掺杂的方式，将p型掺杂物的溶液旋涂在选区之上，并在惰性气体氛围中退火处理；以及去除选区之外残余的PMMA。
在本公开的一些实施例中，p型掺杂的材料为如下材料中的一种：AuCl3，TCNQ，F4-TCNQ；配置AuCl3溶液的溶剂选择如下溶剂中的一种：去离子水，乙醇或硝基甲烷，溶质为：AuCl3颗粒或粉末。
在本公开的一些实施例中，选用AuCl3溶液进行p型掺杂，将其旋涂在选区之上，旋涂的转速介于1000r/min～4000r/min。
根据本公开的又一个方面，提供了一种单层MoS2同质结光探测器，包括：柔性基底；单层MoS2同质结，为本公开提供的任一种单层MoS2同质结，形成于柔性基底的表面；以及电极，形成于柔性基底的表面，包含源电极和漏电极，源电极和漏电极分别位于单层MoS2同质结的两侧与之欧姆接触。
在本公开的一些实施例中，源电极与漏电极的间距介于5μm～20μm之间；和/或源电极或漏电极的面积大小介于50×50μm2～1000×1000μm2之间；和/或源电极和漏电极的厚度介于50nm～500nm之间；和/或源电极和漏电极为以下材料组合中的一种：Cr/Au，Cr/Pt，Cr/Ag，Ti/Au，Ti/Pt或Cr/Ag。
根据本公开的再一个方面，提供了一种单层MoS2同质结光探测器的制备方法，包括：在硬质基底上制备得到单层MoS2同质结；将单层MoS2同质结从硬质基底转移至柔性基底；以及在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备；或者在硬质基底上制备好单层MoS2并转移至柔性基底上；在柔性基底上利用单层MoS2制作单层MoS2同质结；以及在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备。
在本公开的一些实施例中，在硬质基底上制备得到单层MoS2同质结包括：在硬质基底上制备单层MoS2；在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；在柔性基底上利用单层MoS2制作单层MoS2同质结包括：在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；将单层MoS2同质结从硬质基底转移至柔性基底的转移方法与在硬质基底上制备好单层MoS2并转移至柔性基底上的转移方法相同，均为：涂覆一层PMMA薄膜于待转移材料上；利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的待转移材料并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
根据本公开的其它一个方面，还提供了一种电子元件，包括本公开提供的任一种单层MoS2同质结。
在本公开的一些实施例中，该电子元件为以下元件中的一种：整流二极管，开关二极管或太阳能电池。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件，具有以下有益效果：
以单层MoS2为基础，采用化学掺杂方式改变部分MoS2的导电类型，与原有未掺杂MoS2形成p-n同质结，在不引入新材料的前提下，利用简单的化学掺杂方式构造同质p-n结，可以有效提高光生电子空穴分离效率和传输速度，提升由其制备的光探测器的响应度，具有工艺简单，低功耗等优点，还可以应用于柔性整流二极管、开关二极管、太阳能电池等电子元件中，在柔性传感、医疗检测、可穿戴器件方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1A为根据本公开实施例柔性的单层MoS2同质光探测器的立体结构示意图。
图1B为根据本公开实施例柔性的单层MoS2同质光探测器的剖面结构示意图。
图2为根据本公开实施例单层MoS2同质光探测器的一种制备方法。
图3为根据本公开实施例单层MoS2同质光探测器的另一种制备方法。
图4为根据本公开实施例利用化学气相沉积生长的MoS2的拉曼光谱。
图5为根据本公开实施例利用化学气相沉积生长的MoS2的光致发光光谱。
图6为根据本公开实施例单层MoS2同质结结区的能带结构示意图。
图7为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在黑暗条件下的电流-电压(I-V)曲线。
图8为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在532nm激光照射下，I-V曲线随光功率的变化结果图。
图9为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器的响应度随光功率的变化结果图。
图10为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在弯曲状态下随激光开闭导致的光电流的周期性变化结果图。
【符号说明】
10-柔性基底；
20-单层MoS2同质结；
21-n型MoS2； 22-p型掺杂MoS2；
31-源电极； 32-漏电极。
具体实施方式
本公开提供了一种单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件，以单层MoS2为基础，采用化学掺杂方式改变部分MoS2的导电类型，与原有未掺杂MoS2形成p-n同质结，有效提高了光生电子-空穴分离效率和传输速度，并提升由其制备的光探测器的响应度，具有工艺简单，低功耗等优点，还可以应用于柔性整流二极管、开关二极管、太阳能电池等电子元件中，在柔性传感、医疗检测、可穿戴器件方面具有良好的应用前景。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种单层MoS2同质结光探测器。
图1A为根据本公开实施例柔性的单层MoS2同质光探测器的立体结构示意图。图1B为根据本公开实施例柔性的单层MoS2同质光探测器的剖面结构示意图。
结合图1A和图1B所示，本公开的单层MoS2同质结光探测器，包括：柔性基底10；单层MoS2同质结20，形成于柔性基底10的表面，包含n型MoS221和p型掺杂MoS222；以及电极，形成于柔性基底10的表面，包含源电极31和漏电极32，源电极和漏电极分别位于单层MoS2同质结20的两侧与之欧姆接触。
下面对本实施例中单层MoS2同质结光探测器的各个部分进行详细介绍。
本公开出于使器件兼具柔性和较好的光响应度的考虑，将该光探测器的基底也选为柔性基底。本实施例中，柔性基底10的厚度介于50μm～1000μm之间，其材料可以选自但不局限于以下材料的一种：PET、Kapton、PDMS等。
本实施例中，单层MoS2同质结本身具有p-n结结构，该同质结的结构不需要引入新的材料，避免了新的材料对主体材料光电性能的影响，可以有效提高光生电子-空穴分离效率和传输速度，进而达到提升光探测器的光响应度的结果。该单层MoS2同质结是以单层MoS2为基础，该单层MoS2中由于内部缺陷的存在，因此本身为n型导电类型，采用化学掺杂的方式改变部分MoS2的导电类型，使其部分变为p型掺杂MoS222，其余没有经过掺杂的为n型MoS221。
本实施例中，单层MoS2的制备方式为如下方法中的一种或几种：化学气相沉积、机械剥离块状MoS2单晶。
该单层MoS2同质结20的掺杂比例和掺杂效果影响器件的性能。本实施例中，为保证实验结果与材料完好，优选地，掺杂浓度为：0.01mol/L～10mol/L；掺杂面积为所用单层MoS2薄膜面积的30％～70％。
为了保证电极与MoS2之间的欧姆接触，本实施例中，源电极31和漏电极32的材料可选择但不局限于以下材料组合：Cr/Au，Cr/Pt，Cr/Ag，Ti/Au，Ti/Pt或Cr/Ag等；源电极31和漏电极32的厚度介于50nm～500nm之间；这里的电极也可以为层状结构，比如说：依次为粘附层和电极层，粘附层为与基底接触的较薄的一层材料；粘附层的材料为Cr或Ti，其中粘附层Cr或Ti的厚度介于0.5nm～10nm之间。
本实施例中，源电极31与漏电极32的间距介于5μm～20μm之间，电极的面积大小一般在50×50μm2～1000×1000μm2之间，电极的形状不局限于常见的正方形，可以根据实际需求进行形状变化。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种单层MoS2同质结光探测器的制备方法。该制备方法主要是采用先构造MoS2的p-n同质结于硬质Si/SiO2基底上，然后转移到柔性基底的方案。
图2为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器的一种制备方法。参照图2所示，本实施例中，单层MoS2同质结光探测器的制备方法，包括：
步骤S202：在硬质基底上制备单层MoS2；
本步骤中，单层MoS2的制备是采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长的方式进行，或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上；
本实施例中，硬质基底选用带有氧化层的硅片，表示为Si/SiO2基片，其中，氧化层SiO2的厚度需在90nm～500nm之间，本实施例以带有300nm厚的氧化层的Si/SiO2基片为例进行说明。
本实施例中，首先进行基片的清洗，包括去除表面杂质、油污和残余有机物等，选用具有300nm氧化层的Si/SiO2基片，用丙酮、异丙醇、酒精进行基片的清洗，并利用氧等离子体去除残余有机物；然后，采用化学气相沉积的方法，生长单层三角状MoS2于Si/SiO2基片上。
步骤S204：在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；
本步骤中，在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀包括：在制备有单层MoS2的硬质基底上涂覆一层PMMA，并进行烘烤，以使PMMA固化，然后采用电子束曝光的方法进行选区刻蚀。
本实施例中，PMMA的型号为：495K，A4，MicroChem或495K，A5，MicroChem；在热板上烘烤的温度为：150℃，烘烤时间为3min。
步骤S206：对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；
本步骤中，对选区的MoS2进行p型掺杂包括：利用化学掺杂的方式，将p型掺杂物的溶液旋涂在选区之上，并在惰性气体氛围中退火处理，以促进掺杂效果；然后去除选区之外残余的PMMA；
该单层MoS2同质结20的掺杂比例和掺杂效果影响器件的性能。本实施例中，为保证实验结果与材料完好，优选地，掺杂面积为所用单层MoS2薄膜面积的30％～70％；掺杂浓度为：0.01mol/L～10mol/L，这里的掺杂浓度的定义为：所掺杂的p型掺杂物溶液的浓度，p型掺杂物溶液的浓度定义为：每1L溶剂中，溶质的摩尔数。
本实施例中，p型掺杂物可选择：AuCl3，TCNQ，F4-TCNQ，优选AuCl3；配置AuCl3掺杂溶液的溶剂选择如下溶剂中的一种：去离子水，乙醇或硝基甲烷，利用AuCl3颗粒或粉末溶于上述溶剂配置AuCl3溶液。
本实施例中，配置0.01mol/l～10mol/l的AuCl3溶液，将其旋涂在选区之上，旋涂的转速介于1000r/min～4000r/min，时间为60s；紧接着在惰性气体诸如氮气或氩气的氛围中进行退火处理，退火的温度为：100℃，退火时间为：30min，以促进扩散，实现更好的掺杂效果；然后将掺杂后的材料浸泡于丙酮溶液中，去除选区之外残余的PMMA。
需要说明，溶剂的选取、转速的设置将决定掺杂浓度，以及退火处理过程影响掺杂效果，进而影响器件表现。因此，在实际操作过程中，为了获得较好的掺杂比例和掺杂效果，得到性能较优的器件表现，可以进行溶剂、转速以及退火条件等的适应性调整，而不局限于本实施例。
步骤S208：将单层MoS2同质结转移至柔性基底上；
本步骤中，将单层MoS2同质结转移至柔性基底上，包括：涂覆一层PMMA薄膜于单层MoS2同质结上；然后利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的单层MoS2同质结并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
本实施例中，涂覆的PMMA的型号为：495K，A11，MicroChem；为了达到与单层MoS2同质结牢固结合的目的，涂覆的PMMA薄膜的厚度相较于步骤S204来说要更厚一些，并在涂覆之后进行烘烤，烘烤温度为150℃，烘烤时间为3min；接着将烘烤后的硬质基底浸泡于氢氟酸溶液中，这里HF的体积分数为10％～30％，刻蚀Si/SiO2基片，等待带有单层MoS2同质结的PMMA薄膜漂浮于溶液表面；然后将漂浮起来的PMMA薄膜用去离子水清洗多次，转移在柔性基底上，该柔性基底可以选择PET，kapton，PDMS等柔性高聚物薄膜，厚度控制在50μm～1000μm之间；烘干柔性基底之后，用丙酮溶解上层PMMA，则单层MoS2同质结吸附在柔性基底上。
步骤S210：在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备；
本步骤中，利用电子束曝光和电子束蒸镀的方式在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，本实施例中，电极的大小一般为150×150μm2，蒸镀材料一般选取Cr/Au，对应厚度为5nm/50nm。
采用此种制备方法的优势包括：1、采用硬质Si/SiO2基底，掺杂溶剂更为广泛，无需考虑基底的亲、疏水性，掺杂效果容易控制；2、在掺杂过程中，采用电子束曝光工艺，硬质基底曝光精度更高，速度更快。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了另一种单层MoS2同质结光探测器的制备方法。该制备方法主要是采用先将硬质基底上制备的单层MoS2转移至柔性基底上，然后在柔性基底上进行MoS2的p-n同质结的构造过程。
图3为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器的另一种制备方法。参照图3所示，本实施例中，单层MoS2同质结光探测器的制备方法，包括：
步骤S302：在硬质基底上制备单层MoS2；
本步骤中，单层MoS2的制备是采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长的方式进行，或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上；
本实施例中，硬质基底选用带有氧化层的硅片，表示为Si/SiO2基片，其中，氧化层SiO2的厚度需在90nm～500nm之间，本实施例以带有300nm厚的氧化层的Si/SiO2基片为例进行说明。
本实施例中，首先进行基片的清洗，包括去除表面杂质、油污和残余有机物等，选用具有300nm氧化层的Si/SiO2基片，用丙酮、异丙醇、酒精进行基片的清洗，并利用氧等离子体去除残余有机物；然后，采用化学气相沉积的方法，生长单层三角状MoS2于Si/SiO2基片上。
步骤S304：将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底；
本步骤中，将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底，包括：涂覆一层PMMA薄膜于单层MoS2上；然后利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的单层MoS2并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
本实施例中，涂覆的PMMA的型号为：495K，A11，MicroChem；为了达到与单层MoS2牢固结合的目的，涂覆的PMMA薄膜的厚度相较于步骤S204来说要更厚一些，并在涂覆之后进行烘烤，烘烤温度为150℃，烘烤时间为3min；接着将烘烤后的硬质基底浸泡于氢氟酸溶液中，这里HF的体积分数为10％～30％，刻蚀Si/SiO2基片，等待带有单层MoS2的PMMA薄膜漂浮于溶液表面；然后将漂浮起来的PMMA薄膜用去离子水清洗多次，转移在柔性基底上，该柔性基底可以选择PET，kapton，PDMS等柔性高聚物薄膜，厚度控制在50μm～1000μm之间；烘干柔性基底之后，用丙酮溶解上层PMMA，则单层MoS2吸附在柔性基底上。
步骤S306：在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；
本步骤中，在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀包括：在制备有单层MoS2的柔性基底上涂覆一层PMMA，并进行烘烤，以使PMMA固化，然后采用电子束曝光的方法进行选区刻蚀。
本实施例中，PMMA的型号为：495K，A4，MicroChem或495K，A5，MicroChem；在热板上烘烤的温度为：150℃，烘烤时间为3min。
步骤S308：对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；
本步骤中，对选区的MoS2进行p型掺杂包括：利用化学掺杂的方式，将p型掺杂物的溶液旋涂在选区之上，并在惰性气体氛围中退火处理，以促进掺杂效果；然后去除选区之外残余的PMMA；
该单层MoS2同质结20的掺杂比例和掺杂效果影响器件的性能。本实施例中，为保证实验结果与材料完好，优选地，掺杂面积为所用单层MoS2薄膜面积的30％～70％；掺杂浓度为：0.01mol/L～10mol/L。
本实施例中，p型掺杂物可选择：AuCl3，TCNQ，F4-TCNQ，优选AuCl3；配置AuCl3掺杂溶液的溶剂选择如下溶剂中的一种：去离子水，乙醇或硝基甲烷，利用AuCl3颗粒或粉末溶于上述溶剂配置AuCl3溶液。
本实施例中，配置0.01mol/1～10mol/1的AuCl3溶液，将其旋涂在选区之上，旋涂的转速介于1000r/min～4000r/min，时间为60s；紧接着在惰性气体诸如氮气或氩气的氛围中进行退火处理，退火的温度为：100℃，退火时间为：30min，以促进扩散，实现更好的掺杂效果；然后将掺杂后的材料浸泡于丙酮溶液中，去除选区之外残余的PMMA。
需要说明，溶剂的选取、转速的设置将决定掺杂浓度，以及退火处理过程影响掺杂效果，进而影响器件表现。因此，在实际操作过程中，为了获得较好的掺杂比例和掺杂效果，得到性能较优的器件表现，可以进行溶剂、转速以及退火条件等的适应性调整，而不局限于本实施例。
步骤S310：在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备；
本步骤中，利用电子束曝光和电子束蒸镀的方式在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，本实施例中，电极的大小一般为150×150μm2，蒸镀材料一般选取Cr/Au，对应厚度为5nm/50nm。
采用此种制备方法的优势包括：1、直接在聚合物柔性基底制备，过程更为简单方便；2、成品率更高。
此外，为了使器件具有更好的稳定性，可以对器件进行封装，封装材料可选择：PMMA或PDMS等。
由于MoS2具有禁带宽度随厚度变化的特点。单层MoS2的带隙为1.8eV，且为直接带隙，单层的MoS2晶体管才具有很好的开关特性，因此，验证步骤202或步骤S302制备的MoS2是否为单层，是决定是否开展下一步制备工作的关键。因此，针对本实施例中采用化学气相沉积的方法制备的MoS2进行了拉曼光谱和光致发光光谱的性能测试，以验证制备的MoS2是否为单层MoS2。
图4为根据本公开实施例利用化学气相沉积生长的MoS2的拉曼光谱。图5为根据本公开实施例利用化学气相沉积生长的MoS2的光致发光光谱。
参照图4所示，拉曼峰的间距可以判断MoS2的层数，在370cm-1到420cm-1的范围内，面内峰E1 2g和面外峰A1g的间距为20.1cm-1，表明本实施例利用化学气相沉积的方法生长的MoS2为单层。另外进一步参照图5所示，存在一个强峰A和一个弱峰B，峰A，对应的能级为1.85eV(图中未示出)，代表直接带隙跃迁，峰B，对应的能级为1.98eV(图中未示出)，代表间接带隙跃迁，进一步验证该MoS2符合单层特性。
图6为根据本公开实施例单层MoS2同质结结区的能带结构示意图。
下面结合图6，来介绍p-n同质结的形成机理以及该同质结能够提升光探测器性能的原理。化学气相沉积生长的单层MoS2因为其内部缺陷，本身体现n型导电类型，当涂覆含有p型掺杂物的溶液于单层MoS2时，以AuCl3溶液为例，在100℃退火下会发生如下反应：AuCl4 -+3e-＝Au+4Cl-，三价Au3+会吸收大量电子形成Au单质，使得被掺杂的MoS2区域电子浓度大幅降低，进而使得费米能级向价带移动，如图6所示。因此，掺杂区域与原始区域费米能级分离，产生电势差，驱动原始区域电子向掺杂区域移动，空穴反之。于是在达到平衡后，在p-n结结区形成内建电场，可以高效的分离光生电子和空穴，进而增大光电流，提升光探测器的表现。
对于该单层MoS2同质结光探测器的性能，进行了黑暗条件下的电流-电压测试，并对比了激光照射下，电流-电压曲线随着光功率进行变化的曲线，还测试了该光探测器的响应度随着光功率的变化曲线，以及测试该探测器的柔性以及循环使用性能。
图7为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在黑暗条件下的电流-电压(I-V)曲线。如图7所示，在10V的正偏压下，暗电流极低，为16pA。低的暗电流有利于提高光探测器响应度与开关比。该器件展现了良好的p-n结整流特性，开关比可达103以上，这表明经过化学掺杂的确改变了MoS2的导电类型，并且效果理想，性能稳定。低的暗电流主要归结于两个原因：一个是掺杂后耗尽电子，整体电子浓度降低；二是柔性的聚合物基底普遍具有高的表面粗糙度，影响电子的传输。
图8为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在532nm激光照射下，I-V曲线随光功率的变化结果图。结果表明电流随着光功率的增加而单调增加，在光功率达到1045μW时，电流达到1.6μA，相较于暗电流，其开关比可达105。
图9为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器的响应度随光功率的变化结果图。由图9可知，在低光强下，该光探测器的最大光响应度可达3000A/W。
图10为根据本公开实施例单层MoS2同质结光探测器在弯曲状态下随激光开闭导致的光电流的周期性变化结果图。其中，该弯曲状态对应的应力为0.51％，激光功率为1.3μW，图10的结果表明器件可在弯曲状态使用，具有很好的循环稳定性，结实耐用。
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种电子元件，该电子元件包括本公开的单层MoS2同质结。
其中，该电子元件可以是整流二极管，开关二极管或太阳能电池等柔性元件，单层MoS2同质结为其主体材料，具有低功耗，高响应，工艺简单，可弯曲等优点。
在本公开的第五个示例性实施例中，采用本公开提到的制备方法进行该单层MoS2同质结的制备，包括：在基底上制备单层MoS2；在单层MoS2涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结。
其中，由于制备该单层MoS2同质结属于制备单层MoS2同质结光探测器器件的一部分，除了本制备方案中的基底根据实际需求进行选择，既可以选用柔性基底，也可以选用硬质基底进行制备；其余各个步骤详见上文中关于制备方法的描述，这里不再赘述。
综上所述，本公开提供了一种单层MoS2同质结、光探测器及其制备方法、电子元件，以单层MoS2为基础，采用化学掺杂方式改变部分MoS2的导电类型，与原有未掺杂MoS2形成p-n同质结，在不引入新材料的前提下，利用简单的化学掺杂方式构造同质p-n结，可以有效提高光生电子空穴分离效率和传输速度，提升由其制备的光探测器的响应度，具有工艺简单，低功耗等优点，在10V正偏压下，器件具有极低暗电流，开关比高达105。在低光强下，器件光响应度可达3000A/W，远高于同类型器件。同时，器件以柔性聚合物为基底，可以在弯曲状态使用，具有很好的循环稳定性，结实耐用。该单层MoS2同质结还可以应用于柔性整流二极管、开关二极管、太阳能电池等电子元件中，在柔性传感、医疗检测、可穿戴器件方面具有良好的应用前景。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种单层MoS2同质结，包含：
n型MoS2和相邻的p型掺杂MoS2，二者构成p-n同质结；
其中，所述p型掺杂MoS2是由单层MoS2薄膜经过选区p型离子掺杂得到的。
2.根据权利要求1所述的单层MoS2同质结，其中，所述选区的掺杂面积为单层MoS2薄膜面积的30％～70％。
3.根据权利要求1或2所述的单层MoS2同质结，其中，所述选区的掺杂浓度为：0.01mol/L～10mol/L。
4.根据权利要求1至3任一项所述的单层MoS2同质结，其中，所述单层MoS2同质结以柔性材料为基底。
5.根据权利要求1至3任一项所述的单层MoS2同质结，其中，所述单层MoS2同质结以硬质材料为基底。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的单层MoS2同质结的制备方法，包括：
在基底上制备单层MoS2；
在单层MoS2涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及
对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中：
当所述基底的材料为柔性材料时，在基底上制备单层MoS2包括：
采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长单层MoS2；或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上；以及
将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底上；
当所述基底的材料为硬质材料时，在基底上制备单层MoS2包括：
采用化学气相沉积的方法在硬质基底上生长单层MoS2；或者利用机械剥离块状MoS2单晶的方式将单层MoS2剥离在硬质基底上。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述将单层MoS2从硬质基底转移至柔性基底上包括：涂覆一层PMMA薄膜于单层MoS2上；利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的单层MoS2并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
9.根据权利要求6至8任一项所述的制备方法，其中，所述对选区的MoS2进行p型掺杂包括：利用化学掺杂的方式，将p型掺杂物的溶液旋涂在选区之上，并在惰性气体氛围中退火处理；以及去除选区之外残余的PMMA。
10.根据权利要求6至9任一项所述的制备方法，其中：
所述p型掺杂的材料为如下材料中的一种：AuCl3，TCNQ，F4-TCNQ；
配置AuCl3溶液的溶剂选择如下溶剂中的一种：去离子水，乙醇或硝基甲烷，溶质为：AuCl3颗粒或粉末。
11.根据权利要求6至10任一项所述的制备方法，其中，选用AuCl3溶液进行p型掺杂，将其旋涂在选区之上，旋涂的转速介于1000r/min～4000r/min。
12.一种单层MoS2同质结光探测器，包括：
柔性基底；
单层MoS2同质结，为权利要求1至3中任一项所述的单层MoS2同质结，形成于柔性基底的表面；以及
电极，形成于柔性基底的表面，包含源电极和漏电极，源电极和漏电极分别位于单层MoS2同质结的两侧与之欧姆接触。
13.根据权利要求12所述的单层MoS2同质结光探测器，其中：
所述源电极与漏电极的间距介于5μm～20μm之间；和/或
所述源电极或漏电极的面积大小介于50×50μm2～1000×1000μm2之间；和/或
所述源电极和漏电极的厚度介于50nm～500nm之间；和/或
所述源电极和漏电极为以下材料组合中的一种：Cr/Au，Cr/Pt，Cr/Ag，Ti/Au，Ti/Pt或Cr/Ag。
14.一种如权利要求12或13所述单层MoS2同质结光探测器的制备方法，包括：
在硬质基底上制备得到单层MoS2同质结；
将单层MoS2同质结从硬质基底转移至柔性基底；以及
在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备；或者
在硬质基底上制备好单层MoS2并转移至柔性基底上；
在柔性基底上利用单层MoS2制作单层MoS2同质结；以及
在单层MoS2同质结两侧的柔性基底上制作源电极和漏电极，完成单层MoS2同质结光探测器的制备。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其中：
所述在硬质基底上制备得到单层MoS2同质结包括：
在硬质基底上制备单层MoS2；
在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及
对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；
所述在柔性基底上利用单层MoS2制作单层MoS2同质结包括：
在单层MoS2上涂覆PMMA并进行选区刻蚀，使选区的MoS2暴露于空气中；以及
对选区的MoS2进行p型掺杂，得到单层MoS2同质结；
所述将单层MoS2同质结从硬质基底转移至柔性基底的转移方法与所述在硬质基底上制备好单层MoS2并转移至柔性基底上的转移方法相同，均为：涂覆一层PMMA薄膜于待转移材料上；利用腐蚀液刻蚀硬质基底，得到带有PMMA薄膜的待转移材料并转移至柔性基底上；以及去除PMMA薄膜。
16.一种电子元件，包括权利要求1至5任一项所述的单层MoS2同质结。
17.根据权利要求16所述的电子元件，其中，该电子元件为以下元件中的一种：整流二极管，开关二极管或太阳能电池。
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