CN109742177B - 具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法 - Google Patents

具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料应用技术领域，具体涉及一种具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法。上述器件构筑方法如下，在半导体基底上部分沉积绝缘层，在未沉积绝缘层的部分进行图案化处理外延生长半导体纳米线阵列，采用湿法转移技术将二维层状材料转移到上述阵列上，利用水分蒸发过程中的毛细作用诱导二维层状材料在半导体纳米阵列上产生周期性应变，最后通过电子束曝光结合热蒸镀构筑电极，完成器件的构筑。这种具有周期性应变的范德华异质结型光电器件为设计高性能的光电探测器提供了新的思路，具有重大的商业价值和深远的现实意义。

Description

具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法
技术领域
本发明属于材料应用技术领域，具体涉及一种具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法。
背景技术
二维层状材料的平面层内通过很强的化学键结合，层与层之间通过相对较弱的范德瓦尔斯力的方式键合，可以被剥离成单层片状结构。到目前为止，已有上百种二维材料被人们所发现，其中包括了过渡族金属硫族化物、六方氮化硼、黑磷等典型的二维层状材料。越来越多的科研工作者投身于二维纳米材料的研究中，不仅由于其纳米尺度的超薄结构，更多因为其优异的性能并且可以制备成大面积薄膜，对未来器件的集成与实际应用提供了很好的材料基础。
应变工程是通过对材料施加应变来改变材料的电子结构，进而调控材料的物理化学性能。应变工程对半导体行业有着深远的影响。在最近几年，二维层状材料蓬勃发展，它们晶面内的结合力很强，而晶面间的范德瓦尔斯力较弱。与块体材料相比，二维层状材料的几何构型使其可以承受更大的弹性应变。因此，二维层状材料为应变工程的发展提供了广阔的应用空间。混合维度的范德华异质结是将二维层状材料与其他维度(零维，一维，三维)的材料结合到一起，构成一种有全新性质的异质结。这种异质结在便利性以及灵活性上独具优势，因为不同材料间的结合不需要考虑晶格的匹配，直接通过范德华力进行结合。由于其独特的物理特性引起了学术界和工业界的广泛关注，并在电子、光电、能源等领域展现出极大的潜在应用价值。然而，基于应变工程来设计混合维度范德华异质结器件仍旧是一个难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种加工工艺简单和稳定转移，效率高，成本低，具有普适性的周期性应变的范德华异质结型光电探测器及制备方法。
本发明的技术方案是：一种具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器，所述异质结型光电探测器包括：源电极，半导体层，二维层状材料，一维半导体纳米阵列，绝缘层和漏电极；
其中：所述源电极设置在所述半导体层上端面的一端，所述绝缘层设置在与所述源电极对称的所述半导体层上端面的另一端，所述一维半导体纳米阵列设置在所述源电极和绝缘层之间的所述半导体层的上端面上，所述二维层状材料覆盖在所述一维半导体纳米阵列和所述的绝缘层上，所述漏电极设置在覆盖所述绝缘层的二维层状材料上。
进一步，所述半导体层的厚度为100μm-2mm。
进一步，所述的半导体层为：氧化锌、氮化镓或硅。
进一步，所述二维层状材料为：石墨烯，过渡族金属硫族化合物或黑磷；所述二维层状材料通过热蒸发诱导二维层状材料产生周期性应变。
进一步，所述一维半导体纳米阵列为：氧化锌纳米线阵列、氮化镓半导体纳米线阵列或硅纳米线阵列，且纳米线阵列间隔为1μm-10μm。
进一步，所述绝缘层的厚度为100nm-1μm；所述绝缘层为氧化硅、氧化铪或氧化铝。
本发明的另目的是提供一种制备具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器的方法，该方法具体包括以下步骤：
S1.利用湿法转移法将二维层状材料转移到图案化生长的半导体纳米阵列上；
S2.将半导体纳米阵列进行干燥，诱导二维层状材料产生周期性应变；
S3.将转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料放入装有丙酮中，去掉光刻胶膜；
S4.用临界点干燥仪对转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料样品进行无损干燥。
S5.沉积图案化金属电极，完成器件构筑。
进一步，所述S1中的湿法转移的具体工艺为：
S1.1、首先将生长有层状二维材料的硅片旋涂一层光刻胶，厚度为500nm-3μm；
S1.2、将步骤一中的硅片浸泡在碱性溶液中，直至通过碱性溶液与二氧化硅的反应使单层二维材料与硅片分离，从而形成带有层状二维材料的光刻胶膜，并用去离子水反复清洗，去除残留的碱性溶液；
S1.3、将步骤二得到的带有层状二维材料的光刻胶膜通过精确转移平台转移到半导体纳米线阵列上。
进一步，所述S2的具体工艺为：
S2.1将转移有层状材料的纳米线阵列放在热板；
S2.2将所述热板以升温速率为10–30℃/min加热至110-130℃，然后保温15-30min,即得到具有周期性应变二维层状材料。
进一步，所述S4的具体工艺为：
首先，将去掉光刻胶膜的转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的单层二维材料样品放入临界点干燥仪中，降温至10摄氏度，并通入液态二氧化碳，利用液态二氧化碳溶解半导体纳米阵列上的单层二维材料样品上的丙酮，然后升温至38摄氏度以上，将液态二氧化碳气化，使其转换为零表面张力的临界状态，最后保持至少30min钟，得到完整无损的具有周期应变的异质结构。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：
1.室温下即可完成所有器件的构筑过程，不需要额外的高温和低温条件。相对于其他异质结结构，摆脱了复杂的加工和不稳定转移，效率高，成本低。
2.该方法具有普适性，不仅仅局限于半导体阵列与半导体层状材料，任何具有类似结构的材料均适用此方法，可以实现各种功能型器件的加工与设计。
3.这种构筑方法通过控制阵列的高度，可以诱导层状二维材料产生1％-10％的应变，大幅度地调控层状二维材料的性能。同时，通过控制纳米线阵列的间距，可以实现10um2的区域集成100个以上的器件，可以实现高密度的器件集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具有周期性应变的混合维度范德华异质结型光电探测器的结构示意图。
图2为本发明实施例单层硫化钼完好无损地搭在氧化锌阵列的上扫描电镜图；为典型的具有周期性应变的单层硫化钼与氧化锌纳米阵列的复合结构。单层硫化钼的褶皱可以在氧化锌阵列间明显看到，证明单层硫化钼很好地包覆在氧化锌阵列上，结构完好无损。
图3为本发明实施例采用单层硫化钼的有无应变的硫化钼的拉曼谱线对比图，证明应变的硫化钼会产生拉曼峰位的偏移。
图4为为本发明实施例采用单层硫化钼的平面内拉曼振动峰位(E1 2g)和平面间拉曼振动峰位
Figure BDA0001918849360000051
的变化曲线示意图，周期性的拉曼峰位偏移证明了单层硫化钼具有周期性的应变。
具体实施方式
下面结合一个实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器，所述异质结型光电探测器包括：源电极，半导体层，二维层状材料，一维半导体纳米阵列，绝缘层和漏电极；
其中：所述源电极设置在所述半导体层上端面的一端，所述绝缘层设置在与所述源电极对称的所述半导体层上端面的另一端，所述一维半导体纳米阵列设置在所述源电极和绝缘层之间的所述半导体层的上端面上，所述二维层状材料覆盖在所述一维半导体纳米阵列和所述的绝缘层上，所述漏电极设置在覆盖所述绝缘层的二维层状材料上。
所述半导体层的厚度为100μm-2mm。
所述的半导体层为氧化锌、氮化镓或硅。
所述二维层状材料为：石墨烯、过渡族金属硫族化合物或黑磷；所述二维层状材料通过水分蒸发诱导二维层状材料产生周期性应变。
所述一维半导体纳米阵列为氧化锌纳米线阵列、氮化镓半导体纳米线阵列或硅纳米线阵列；且纳米线阵列间隔为1μm-10μm。
所述绝缘层的厚度为100nm-1μm；所述绝缘层为氧化硅、氧化铪或氧化铝。
一种制备具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器的方法，该方法具体包括以下步骤：
S1.利用湿法转移法将二维层状材料转移到图案化生长的半导体纳米阵列上；
S2.将半导体纳米阵列进行干燥，诱导二维层状材料产生周期性应变；
S3.将转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料放入装有丙酮的烧杯中，去掉光刻胶膜；
S4.用临界点干燥仪对转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料样品进行无损干燥。
S5.沉积图案化金属电极，完成器件构筑。
所述S1中的湿法转移的具体工艺为：
S1.1、首先将生长有层状二维材料的硅片旋涂一层光刻胶，厚度为500nm-3μm；
S1.2、将步骤一中的硅片浸泡在碱性溶液中，直至通过碱性溶液与二氧化硅的反应使单层二维材料与硅片分离，从而形成带有层状二维材料的光刻胶膜，并用去离子水反复清洗，去除残留的碱性溶液；
S1.3、将步骤二得到的带有层状二维材料的光刻胶膜通过精确转移平台转移到半导体纳米线阵列上。
所述S2的具体工艺为：
S2.1将转移有层状材料的纳米线阵列放在热板；
S2.2将所述热板以升温速率为10–30℃/min加热至110-130℃，然后保温15-30min,即得到具有周期性应变二维层状材料。
所述S4的具体工艺为：
首先，将去掉光刻胶膜的转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的单层二维材料样品放入临界点干燥仪中，降温至10摄氏度，并通入液态二氧化碳，利用液态二氧化碳溶解半导体纳米阵列上的单层二维材料样品上的丙酮，然后升温至38摄氏度以上，将液态二氧化碳气化，使其转换为零表面张力的临界状态，最后保持至少30min钟，得到完整无损的具有周期应变的异质结构。
实施例：
以单层硫化钼和氧化锌纳米阵列为原材料构筑具有周期性应变的单层硫化钼/氧化锌阵列的混合维度异质结光电探测器：
(1)利用化学气相沉积法制备单层硫化钼。在850摄氏度下，10毫克三氧化钼与过量的硫蒸气反应，通入氧气辅助，持续25min，利用氧化还原反应制备单层硫化钼。
(2)选用单晶氧化锌基底进行生长，对基底进行清洗和预处理，依次用去离子水、乙醇、丙酮、异丙醇超声清洗分钟，将基片用氮气吹干备用；
(3)对氧化锌基底进行图案化处理，首先利用磁控溅射仪完成氧化铪绝缘层的沉积，然后通过水热合成法完成氧化锌纳米线阵列的外延生长，水热反应前驱液为六水合硝酸锌和六亚甲基四胺的等摩尔混合溶液。
(4)将生长单层硫化钼的硅片旋涂一层光刻胶作为保护层，并将其浸泡在浓度为1摩尔/升的氢氧化钠碱性溶液中10分钟，使带有单层硫化钼光刻胶膜与硅片分离，并将该薄膜在去离子水中反复清洗15次。
(5)利用中空的柔性透明衬底将带有单层硫化钼的光刻胶膜从水中捞起，并固定在机械手臂上，通过带有光学显微镜的精确转移平台转移到氧化锌纳米线阵列上。
(6)利用湿法转移过程中层状二维材料表面残存的水分，在与纳米线阵列接触的时候，使阵列间隙充满水水分。然后将转移有层状材料的纳米线阵列放在热板上进行干燥。由于纳米线阵列间隙微小，水分蒸发过程中会产生毛细作用，诱导层状二维材料产生应变。干燥的温度从25摄氏度逐步升到120摄氏度，升温速率为20摄氏度/分钟，最后在120摄氏度保温15分钟。
(7)将样品放入到60摄氏度的丙酮中半个小时，去除光刻胶膜。然后，将样品置于临界点干燥仪中，降低温度到10摄氏度以下，并通入液态二氧化碳，利用二氧化碳溶解丙酮。然后将温度升高到38摄氏度，将二氧化碳从液态转换为零表面张力的临界状态，保持30min钟，得到完整无损的具有周期应变的异质结构。
(8)利用电子束曝光技术进行图案化处理，并通过热蒸镀沉积电极，最终完成器件构筑。
图2为本发明实施例单层硫化钼完好无损地搭在氧化锌阵列的上扫描电镜图；为典型的具有周期性应变的单层硫化钼与氧化锌纳米阵列的复合结构。单层硫化钼的褶皱可以在氧化锌阵列间明显看到，证明单层硫化钼很好地包覆在氧化锌阵列上，结构完好无损。
图3为本发明实施例单层硫化钼的有无应变的硫化钼的拉曼谱线对比图，证明应变的硫化钼会产生拉曼峰位的偏移。
图4为本发明实施例单层硫化钼的平面内拉曼振动峰位(E1 2g)和平面间拉曼振动峰位
Figure BDA0001918849360000101
的变化曲线示意图，周期性的拉曼峰位偏移证明了单层硫化钼具有周期性的应变。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述异质结型光电探测器包括：源电极，半导体层，二维层状材料，一维半导体纳米阵列，绝缘层和漏电极；
其中：所述源电极设置在所述半导体层上端面的一端，所述绝缘层设置在与所述源电极对称的所述半导体层上端面的另一端，所述一维半导体纳米阵列设置在所述源电极和绝缘层之间的所述半导体层的上端面上，所述二维层状材料覆盖在所述一维半导体纳米阵列和所述的绝缘层上，所述漏电极设置在覆盖所述绝缘层的二维层状材料上。
2.根据权利要求1所述的异质结型光电探测器，其特征在于，所述半导体层的厚度为100μm-2mm。
3.根据权利要求2所述的异质结型光电探测器，其特征在于，所述的半导体层为：氧化锌、氮化镓或硅。
4.根据权利要求1所述的异质结型光电探测器，其特征在于，所述二维层状材料为石墨烯、过渡族金属硫族化合物或黑磷；所述二维层状材料通过水分蒸发诱导二维层状材料产生周期性应变。
5.根据权利要求1所述的异质结型光电探测器，其特征在于，所述一维半导体纳米阵列为氧化锌纳米线阵列、氮化镓半导体纳米线阵列或硅纳米线阵列；且纳米线阵列间隔为1μm-10μm。
6.根据权利要求1所述的异质结型光电探测器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为100nm-1μm；所述绝缘层为氧化硅、氧化铪或氧化铝。
7.一种制备具有周期性应变的范德华异质结型光电探测器的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1.利用湿法转移法将二维层状材料转移到图案化生长的半导体纳米阵列上；
S2.将半导体纳米阵列进行干燥，诱导二维层状材料产生周期性应变；
S3.将转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料放入丙酮中，去掉光刻胶膜；
S4.用临界点干燥仪对转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的二维层状材料样品进行无损干燥；
S5.沉积图案化金属电极，完成器件构筑。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S1中的湿法转移的具体工艺为：
S1.1、首先将生长有层状二维材料的硅片旋涂一层光刻胶，厚度为500nm-3μm；
S1.2、将步骤一中的硅片浸泡在碱性溶液中，直至通过碱性溶液与二氧化硅的反应使单层二维材料与硅片分离，从而形成带有层状二维材料的光刻胶膜，并用去离子水反复清洗，去除残留的碱性溶液；
S1.3、将步骤二得到的带有层状二维材料的光刻胶膜通过精确转移平台转移到半导体纳米线阵列上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S2的具体工艺为：（3）
S2.1将转移有层状材料的纳米线阵列放在热板；
S2.2将所述热板以升温速率为10– 30℃/min加热至110-130℃，然后保温15 -30min,即得到具有周期性应变二维层状材料。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S4的具体工艺为：
首先，将去掉光刻胶膜的转移到图案化生长的半导体纳米阵列上的单层二维材料样品放入临界点干燥仪中，降温至10摄氏度，并通入液态二氧化碳，利用液态二氧化碳溶解半导体纳米阵列上的单层二维材料样品上的丙酮，然后升温至38摄氏度以上，将液态二氧化碳气化，使其转换为零表面张力的临界状态，最后保持至少30min，得到完整无损的具有周期应变的异质结构。
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