CN109817802A - 基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法 - Google Patents
基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于多层‑单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法，该探测器中的导电沟道由彼此相连的多层‑单层石墨烯结构成，且该多层‑单层石墨烯结是太赫兹波探测的有效灵敏区域；在太赫兹波照射下，多层石墨烯的光热电效应电动势大于单层石墨烯的光热电效应电动势，从而形成由多层石墨烯主导的合光热电效应电动势；该合光热电效应电动势在电路中以电压或电流输出最终得到太赫兹波响应。此外，通过栅压电场对上述合光热电效应电动势调控，可进一步提升探测器响应度、灵敏度。与现有技术相比，本发明结合单层与多层石墨烯各自的优点，能够有效增加探测器的响应度，从而在室温下实现响应速度快、响应度高的太赫兹探测。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，更具体地，涉及一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法。
背景技术
通常将频率在0.1-10THz的电磁波称为太赫兹波，该波段介于远红外光与毫米波之间。相比于现阶段已经非常成熟的红外和微波技术，太赫兹频段由于受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，其发展较为缓慢，形成了所谓的太赫兹间隙(THz Gap)。相比其他波段，太赫兹波具有很多独特的性质：1)宽频性，太赫兹波频谱非常宽，涵盖了波长从30μm到3000μm的波段范围，可作为高速无线通信的候选频段；2)透视性，太赫兹波对非金属非极性材料具有优秀的穿透能力，有望作为X射线成像和超声波成像技术的补充；3)安全性，太赫兹波光子能量低，只有毫电子伏量级，不会产生电离反应，应用于安检或生物医学成像安全性高；4)物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息，很多分子特别是有机分子的振动和转动能级位于太赫兹波段，具有很强的指纹特征。结合上述特性，太赫兹的应用技术主要由太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术两大关键技术构成。利用太赫兹成像技术与太赫兹波谱技术，太赫兹波在安全检查、无损光谱探测、生物医学成像、工业探伤、宽带通信、雷达探测等领域展现出广阔的应用前景。
常用的太赫兹探测技术有相干探测技术与直接探测技术。直接探测技术无需本地振荡源等，因而能够极大地简化探测系统，降低设备成本，同时也符合仪器设备微型化、集成化的发展趋势。太赫兹探测器在太赫兹探测技术中处于核心位置，太赫兹探测技术的研究与应用离不开高性能的太赫兹探测器。目前基于直接探测技术的太赫兹探测器主要基于热原理，如高莱探测器、热释电探测器、超导测辐射热计等。但上述太赫兹探测器在工作温度，器件体积，响应速度、集成度等方面都有其各自缺点，这严重地制约了太赫兹技术的广泛应用。因此，开发高灵敏度、快速响应、微型化、便携式的新型室温太赫兹探测器已成为相关领域的热点之一。
石墨烯作为新兴二维材料的代表具有高载流子迁移率、无带隙宽光谱吸收等特性，是一种具有广泛应用前景的光电探测材料。在石墨烯晶格中，电子的热容小，电子-声子耦合弱，电子-电子耦合强，从而导致光照下电子温度相比周围晶格会迅速升高，形成显著的光生热载流子光热电效应(Photothermoelectric effect)。因此，利用石墨烯中的光热电效应能够实现有效的太赫兹波探测。文献报道的基于光热电效应的石墨烯器件在室温下对太赫兹波表现出皮秒(ps)量级的快速响应，但受限于单层石墨烯较弱的光吸收效率和较低的塞贝克系数，器件的太赫兹响应度仍有较大提升空间。相比于单层石墨烯，多层石墨烯在一定的层数范围内具有更弱的电子-声子耦合作用，因而载流子弛豫时间更长，光生热载流子温度更高，再加上塞贝克系数更大，有助于产生更强的光热电效应。此外，对于单层石墨烯探测器，单个分子层的光吸收截面导致大多数太赫兹辐射并未被探测器吸收。相比之下，多层石墨烯具有更厚的光吸收截面，因而除了少部分反射光外，大多数入射到探测器上的太赫兹波都能够被多层石墨烯吸收，从而可以显著提升器件的量子效率，增加探测器光响应度。但另一方面，基于单层石墨烯的太赫兹探测器也具有不少优点，比如高载流子迁移率与低器件热噪声等。并且和多层石墨烯相比，单层石墨烯的费米能级能够被栅压电场在更大范围内调控，从而实现更大范围内电阻率与塞贝克系数的调制。
发明内容
考虑到高性能太赫兹探测器的发展趋势以及针对现有技术的缺点或改进需求，本发明创新性的提出了一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法。与现有技术相比，本发明结合了单层石墨烯和多层石墨烯各自的优点，能够有效增加探测器的响应度。本发明提出的太赫兹探测器中的导电沟道由彼此相连的多层-单层石墨烯结构成，多层与单层石墨烯两端再分别与金属电极接触；该多层-单层石墨烯结作为太赫兹波探测的有效灵敏区域，在太赫兹波照射下通过石墨烯吸收光子产生跃迁形成光生热载流子。其中，多层石墨烯在衬底平面上的投影面积不小于单层石墨烯在衬底平面上的投影面积，再结合更厚的光吸收截面以及更长载流子弛豫时间，使得多层石墨烯在探测器的太赫兹波吸收中占主导地位。相比于单层石墨烯，多层石墨烯结构能够产生数目更多且温度更高的光生热载流子，从而导致多层-单层石墨烯结两侧的光热电效应电动势大小存在差异(即，多层石墨烯的光热电效应电动势大于单层石墨烯的光热电效应电动势)，进而形成了由多层石墨烯主导的合光热电效应电动势。上述合光热电效应电动势在电路中以电压或电流输出最终得到太赫兹波响应。本发明结合单层与多层石墨烯各自的优点，能够有效增加探测器的响应度，从而在室温下实现响应速度快、响应度高的太赫兹探测。
按照本发明的一个方面，本发明提供了一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，该探测器中导电沟道主要由彼此相连的多层石墨烯结构和单层石墨烯结构对应形成的多层-单层石墨烯结构成，该多层-单层石墨烯结位于绝缘衬底上，所述多层-单层石墨烯结的两端再分别与金属电极接触；该多层-单层石墨烯结作为太赫兹波的有效探测灵敏区域，其中多层石墨烯结构在衬底平面上的投影面积与单层石墨烯结构的投影面积之比不小于1；多层石墨烯结构作为起主导作用的太赫兹波辐射吸收层；在太赫兹波照射下，该多层-单层石墨烯结两侧的光热电效应电动势大小将会存在差异，其中多层石墨烯结构的光热电效应电动势大于单层石墨烯结构的光热电效应电动势，从而形成由多层石墨烯结构主导的合光热电效应电动势；该合光热电效应电动势在电路中以电压或电流输出最终得到太赫兹波响应，实现对太赫兹的探测。
作为本发明的进一步优选，所述绝缘衬底为含有绝缘层的半导体衬底，其中的半导体材料作为该太赫兹探测器的背栅电极层，用于施加栅极电压，以利用多层石墨烯结构与单层石墨烯结构的光热电效应电动势对外部电场的敏感性差异，通过栅压调控所述合光热电效应电动势，从而进一步提升探测器响应度、灵敏度。
作为本发明的进一步优选，所述多层石墨烯结构在衬底平面上的投影形状呈漏斗形，越靠近所述单层石墨烯结构的部分其投影形状越收窄。
作为本发明的进一步优选，太赫兹波响应由多层-单层石墨烯结处的合光热电效应电动势决定。
作为本发明的进一步优选，光热电效应电动势是由太赫兹辐射下石墨烯吸收入射光子从而产生光生热载流子导致的。
按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有多层-单层石墨烯横向堆垛结构；
(2)将所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的石墨烯层，得到图形结构的多层-单层石墨烯结作为导电沟道；
(3)在所述导电沟道的多层-单层石墨烯结表面形成电极层，从而在导电沟道两端形成分别与单层石墨烯、多层石墨烯相接触的两个电极；
(4)在所述图形结构的多层-单层石墨烯结表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的多层-单层石墨烯结表面。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述半导体衬底是本征或轻掺杂的高阻形态，电阻率大于50Ωcm；所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构是采用自上而下的方法通过选择性地减薄绝缘衬底上的部分多层石墨烯至单层得到或者采用自下而上的方法以聚合物材料为媒介通过转移得到，所述聚合物材料优选为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、或PDMS(聚二甲基硅氧烷)；优选的，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构是采用转移至少一层石墨烯至绝缘衬底上的单层石墨烯表面得到，从而得到单层石墨烯部分和叠加后的多层石墨烯部分；
所述步骤(1)中，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构中，多层石墨烯部分的厚度为0.7-20nm，对应层数为2层至60层；
所述步骤(2)中，所述图形结构的多层-单层石墨烯结中，多层石墨烯结构在衬底平面上的投影面积与单层石墨烯结构的投影面积之比不小于1；
优选的，多层石墨烯结构在衬底平面上的投影形状呈漏斗形，越靠近单层石墨烯结构的部分其投影形状越收窄；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
由于光热电效应器件的光响应与光热电效应电动势的不对称性有关，因此多层石墨烯与单层石墨烯之间光热电效应电动势差异越大，则光响应度越高。显然，增加多层石墨烯的光热电效应电动势，同时抑制单层石墨烯的光热电效应电动势，是增强两者之间的光热电效应电动势差异从而提升响应度的有效途径。与此同时，光热电效应电动势又与电子温度差以及塞贝克系数有关。为了提高多层石墨烯的光热电效应电动势，所述多层石墨烯在平面上的投影形状优选呈漏斗形，越靠近所述单层石墨烯的部分其投影形状越收窄，其结果是在垂直于沟道到横向电场的方向上多层石墨烯沟道的平均长度大于单层石墨烯，有助于进一步减小多层石墨烯的沟道电阻，从而增加其塞贝克系数，提升探测器内部光热电效应电动势的不对称性。更进一步，多层石墨烯较大的态密度以及层间电荷屏蔽效应使得其塞贝克系数、光生热电子温度对外部栅压电场相对不敏感。与此相反，单层石墨烯的费米能级可由栅压电场在较大范围内调制，相应地，其塞贝克系数和光生热电子温度易受栅压电场影响。因此，该结构中多层石墨烯的光热电效应电动势对外部电场不敏感，而单层石墨烯的光热电效应电动势易受栅压电场调控。其结果是，对于具有背栅电极结构的多层-单层石墨烯结器件，其光热电效应电动势的不对称性可在一定范围内受栅压调控(即，可在一定范围内利用栅压调控单层石墨烯结构的光热电效应电动势，从而最终调控由多层石墨烯结构的光热电效应电动势与单层石墨烯结构的光热电效应电动势两者共同作用得到的合光热电效应电动势)，有利于进一步利用电场调控提升探测器响应度、灵敏度。
综上，本发明利于多层-单层石墨烯结构筑具有不对称性的光热电效应太赫兹探测器，该探测器同时将多层石墨烯更高的光吸收效率、更大的塞贝克系数等优点与单层石墨烯更高的载流子迁移率、更好的栅控特性等优点结合起来，可实现响应速度快、响应度高的石墨烯基太赫兹探测器。此外，与传统基于测热原理的太赫兹探测器只能用于交变辐射信号的探测不同，光热电效应的石墨烯探测器受外界干扰影响小，可以在室温下输出直流信号，从而大大简化了太赫兹测量系统。此外，该新型石墨烯基太赫兹探测器的制备工艺与常规半导体平面兼容工艺，易于集成在常规半导体芯片上，这也符合新型太赫兹探测器微型化、集成化的发展趋势。
附图说明
图1、图2分别为本发明提供的一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器结构的正视图和俯视图。
图3为本发明提供的一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器制备方法的流程示意图。
图中各附图标记的含义如下：
101 绝缘衬底
101-1 半导体晶圆片
101-2 绝缘层
201 多层-单层石墨烯结
201-1 多层石墨烯层
201-2 单层石墨烯层
301 金属电极层
401 钝化层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1、图2所示均为本发明提供的一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器的结构示意图，具体制备方法流程如图3所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例皆可改变，且组件的布局型态也可能更为复杂。
如图1、图2所示，本实施方式的基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器至少包括：绝缘衬底101，其中包含半导体晶圆片101-1，以及绝缘层101-2；多层-单层石墨烯结201，其中包含多层石墨烯层201-1，以及单层石墨烯层201-2；金属电极层301；钝化层401。
如图3所示，本实施方式的基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器的制备方法至少包括：
步骤S1，提供绝缘衬底101，所述绝缘衬底101上具有多层-单层石墨烯横向堆垛结构，具体为：
采用自上而下的方法通过选择性地减薄绝缘衬底上的部分多层石墨烯至单层得到或者采用自下而上的方法以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等聚合物材料为媒介通过转移得到，例如采用转移多层石墨烯至绝缘衬底上的单层石墨烯表面得到；
所述绝缘衬底101为玻璃、石英、陶瓷、蓝宝石等中的任意一种或者它们组成的复合结构；
可选地，所述绝缘衬底101也可以为含有绝缘层101-2的半导体晶圆片101-1；
所述半导体晶圆片101-1为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种或者它们的二元及二元以上合金中的任一种，所述半导体晶圆片101-1是本征或轻掺杂的高阻形态，电阻率大于50Ωcm；
所述绝缘层101-2为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN等中的任意一种以及它们的二元及二元以上化合物或叠层中的任一种，所述绝缘层101-2的厚度为5-500nm。
最终得到的多层-单层石墨烯横向堆垛结构中，所述多层石墨烯层201-1的厚度0.7-20nm，对应层数约为2层至60层；
本实施例中，绝缘衬底101选用电阻率为100Ωcm的p型高阻硅作为半导体晶圆片101-1即衬底，也作为背栅电极层；300nm热氧化SiO2作为绝缘层101-2，可作为背栅介质；多层石墨烯层201-1选用层数为六层的石墨烯薄膜。当然，若绝缘衬底101完全选用由绝缘材料构成的衬底(即不形成背栅电极层)，其他器件结构(如多层石墨烯层201-1等)保持不变，该器件仍能够基于由多层石墨烯结构主导的合光热电效应电动势形成电压或电流输出，实现太赫兹的探测。
步骤S101，将PDMS膜粘附在透明载玻片上，之后采用微机械剥离法将五层石墨烯薄膜201-1转移至PDMS表面，形成五层石墨烯/PDMS/载玻片叠层结构；
步骤S102，在显微镜下将五层石墨烯/PDMS/载玻片叠层结构中五层石墨烯薄膜201-1一面对准绝缘衬底101表面的单层石墨烯201-2，压实使之贴紧；
步骤S103，将转移台面加热至70℃，PDMS膜自动脱落，五层石墨烯薄膜201-1转移至单层石墨烯201-2表面，形成六层-单层石墨烯横向堆垛结构。
当然，也可以通过选择性减薄处理工艺得到多层-单层石墨烯横向堆垛结构，例如，可以使用聚焦的激光束逐点扫描烧蚀部分多层石墨烯从而将多层石墨烯减薄至单层，或者以光刻工艺以图形化的光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀减薄未被光刻胶保护的多层石墨烯，选择性减薄处理得到单层石墨烯。
步骤S2，将所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的石墨烯层，得到图形结构的多层-单层石墨烯结201作为导电沟道；将所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构进行图形化处理，具体可以：
于所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构表面形成光刻胶，通过一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀去除未被光刻胶保护的石墨烯层；
去除所述图形化后的光刻胶，以得到图形结构的多层-单层石墨烯结201，包含多层石墨烯层201-1和单层石墨烯层201-2两个相连的部分。
例如，具体可以为：
步骤S201，于六层-单层石墨烯横向堆垛结构表面表面旋涂S1815光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约1500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S202，光刻，通过一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S203，采用反应离子刻蚀(RE)处理光刻胶图形结构，刻蚀掉未被光刻胶保护的石墨烯薄膜，O2流量40sccm，压强2Pa，功率40W，刻蚀3min；
步骤S204，丙酮中去胶，形成六层-单层石墨烯结201图形结构。
步骤S3，于所述导电沟道201-1表面形成金属电极层301，具体可以：
于所述多层-单层石墨烯结201表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用物理气相沉积方法沉积金属，之后去除光刻胶，形成金属电极；
所述金属电极材料为Au、Pt、Ni、Ti、Cr等单质金属以及导电性硅化物、氮化物、碳化物等中的一种或两种及两种以上的合金或叠层中的任意一种；
本实施例中，选用Cr/Au金属叠层作为电极层301；
步骤S301，在六层-单层石墨烯结201图形结构表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S302，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S303，样品放入热蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积10nm Cr与60nm Au叠层；
步骤S304，丙酮中去胶，形成电极层301。
步骤S4，于所述多层-单层石墨烯结201图形结构表面形成钝化层401以覆盖所述导电沟道TMDCs层201-1，具体为：
所述钝化层为SiO2、Al2O3、HfO2等无机或者有机绝缘材料，可采用物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等方法制备；
本实施例中，选用原子层沉积工艺制备的Al2O3薄膜作为钝化层401，将样品放入原子层沉积设备反应腔，以H2O和TMA(三甲基铝)作为反应源，在120℃沉积30nm Al2O3薄膜，作为钝化层401。
可以看出本发明可多层-单层石墨烯结构，并可在室温下用于太赫兹波的探测，具有易于加工、低成本、高集成性等特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，该探测器中导电沟道主要由彼此相连的多层石墨烯结构和单层石墨烯结构对应形成的多层-单层石墨烯结构成，该多层-单层石墨烯结位于绝缘衬底上，所述多层-单层石墨烯结的两端再分别与金属电极接触；该多层-单层石墨烯结作为太赫兹波的有效探测灵敏区域，其中多层石墨烯结构在衬底平面上的投影面积与单层石墨烯结构的投影面积之比不小于1；多层石墨烯结构作为起主导作用的太赫兹波辐射吸收层；在太赫兹波照射下，该多层-单层石墨烯结两侧的光热电效应电动势大小将会存在差异，其中多层石墨烯结构的光热电效应电动势大于单层石墨烯结构的光热电效应电动势，从而形成由多层石墨烯结构主导的合光热电效应电动势；该合光热电效应电动势在电路中以电压或电流输出最终得到太赫兹波响应，实现对太赫兹的探测。
2.如权利要求1所述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，所述绝缘衬底为含有绝缘层的半导体衬底，其中的半导体材料作为该太赫兹探测器的背栅电极层，用于施加栅极电压，以利用多层石墨烯结构与单层石墨烯结构的光热电效应电动势对外部电场的敏感性差异，通过栅压调控所述合光热电效应电动势，从而进一步提升探测器响应度、灵敏度。
3.如权利要求1所述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，所述多层石墨烯结构在衬底平面上的投影形状呈漏斗形，越靠近所述单层石墨烯结构的部分其投影形状越收窄。
4.如权利要求1所述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，太赫兹波响应由多层-单层石墨烯结处的合光热电效应电动势决定。
5.如权利要求1所述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器，其特征在于，光热电效应电动势是由太赫兹辐射下石墨烯吸收入射光子从而产生光生热载流子导致的。
6.制备如权利要求1－5任意一项所述基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有多层-单层石墨烯横向堆垛结构；
(2)将所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的石墨烯层，得到图形结构的多层-单层石墨烯结作为导电沟道；
(3)在所述导电沟道的多层-单层石墨烯结表面形成电极层，从而在导电沟道两端形成分别与单层石墨烯、多层石墨烯相接触的两个电极；
(4)在所述图形结构的多层-单层石墨烯结表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的多层-单层石墨烯结表面。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述半导体衬底是本征或轻掺杂的高阻形态，电阻率大于50Ωcm；所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构是采用自上而下的方法通过选择性地减薄绝缘衬底上的部分多层石墨烯至单层得到或者采用自下而上的方法以聚合物材料为媒介通过转移得到，所述聚合物材料优选为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、或PDMS(聚二甲基硅氧烷)；优选的，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构是采用转移至少一层石墨烯至绝缘衬底上的单层石墨烯表面得到，从而得到单层石墨烯部分和叠加后的多层石墨烯部分；
所述步骤(1)中，所述多层-单层石墨烯横向堆垛结构中，多层石墨烯部分的厚度为0.7-20nm，对应层数为2层至60层；
所述步骤(2)中，所述图形结构的多层-单层石墨烯结中，多层石墨烯结构在衬底平面上的投影面积与单层石墨烯结构的投影面积之比不小于1；
优选的，多层石墨烯结构在衬底平面上的投影形状呈漏斗形，越靠近单层石墨烯结构的部分其投影形状越收窄；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110568383A (zh) * | 2019-10-17 | 2019-12-13 | 西南大学 | 基于磁热效应的磁场探测装置及系统 |
| CN110635019A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-31 | 西南大学 | 一种提高光利用效率的光热电转换器件 |
| CN111599889A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-28 | 华南师范大学 | 一种自驱动光电探测器及其光通信系统 |
| CN112179868A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 杭州高烯科技有限公司 | 一种光调制太赫兹分子检测器件的制备方法 |
| CN114679152A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-06-28 | 电子科技大学 | 动态可调的石墨烯声子波导及方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105957955A (zh) * | 2016-07-19 | 2016-09-21 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于石墨烯平面结的光电探测器 |
| CN108963065A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-07 | 上海电力学院 | 一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105957955A (zh) * | 2016-07-19 | 2016-09-21 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于石墨烯平面结的光电探测器 |
| CN108963065A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-07 | 上海电力学院 | 一种激光烧蚀制备单层多层石墨烯热电探测器的方法 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110635019A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-31 | 西南大学 | 一种提高光利用效率的光热电转换器件 |
| CN110635019B (zh) * | 2019-09-20 | 2021-04-27 | 西南大学 | 一种提高光利用效率的光热电转换器件 |
| CN110568383A (zh) * | 2019-10-17 | 2019-12-13 | 西南大学 | 基于磁热效应的磁场探测装置及系统 |
| CN110568383B (zh) * | 2019-10-17 | 2021-07-02 | 西南大学 | 基于磁热效应的磁场探测装置 |
| CN111599889A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-28 | 华南师范大学 | 一种自驱动光电探测器及其光通信系统 |
| CN112179868A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 杭州高烯科技有限公司 | 一种光调制太赫兹分子检测器件的制备方法 |
| CN114679152A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-06-28 | 电子科技大学 | 动态可调的石墨烯声子波导及方法 |
| CN114679152B (zh) * | 2022-03-25 | 2023-04-28 | 电子科技大学 | 动态可调的石墨烯声子波导及方法 |
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