CN109916516A - 一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用 - Google Patents
一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用，是以二维二硒化钯纳米薄膜作为光敏感层，制作偏振敏感的光电探测器，实现对宽波段偏振光信号的探测。本发明以二维二硒化钯纳米薄膜制作的偏振敏感的光电探测器，对偏振光信号具有显著的响应，可以在复杂的电磁环境下对波长覆盖紫外‑可见‑红外的偏振光信号进行精确、稳定的探测。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用。
背景技术
偏振特性是光信号的固有特性之一，尽管光的偏振特性在各个领域都有所应用，但是其偏振信息的获取依旧是一个难题。这是因为绝大多数的光学传感器对光的偏振特性不敏感，而且光的偏振特性难以被直接测得，所以通常采用间接的方法用偏振器件对光波进行偏振分析来获取光的偏振特性。由于探测过程十分繁琐，系统分立众多且复杂，从而使得偏振探测系统向微型化集成化高灵敏度方向发展成为必然趋势。
构建二维纳米偏振探测系统的关键在于筛选探索对偏振光信号有高灵敏响应的纳米结构。在二维材料体系中，具有不对称晶体结构的二维薄膜通常具有各向异性光电特性，因此可以用于偏振探测。然而现有的具有不对称结构的二维材料，如黑磷、硅烯、锗烯等二维材料由于其较差的化学稳定性，导致不能在空气中稳定存在。另外，二维二硫化锗和二硒化锗由于其较宽的带隙只适用于紫外光偏振探测。以上不足严重限制了这些二维材料在宽波段偏振光探测领域的应用。纳米材料作为微观材料，其结构由于存在大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用，使得即使是同一族的纳米材料、或者相同相貌的不同纳米材料也会表现出极为不同的特性。因此，探索对偏振光信号有高灵敏响应的纳米结构材料具有非常重要的意义。二维二硒化钯(PdSe2)纳米薄膜具有0-1.3eV的宽可调带隙，同时具有带褶皱的五边形排列的不对称晶体结构，具备了紫外-可见-红外波段内对偏振光敏感的特性，因此探索二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光探测领域的应用具有重要价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用，旨在通过二维二硒化钯纳米薄膜构建对宽波段偏振光敏感的光电探测器。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明公开了一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用，其特点在于：以二维二硒化钯纳米薄膜作为光敏感层，制作偏振敏感的光电探测器，实现对宽波段偏振光信号的稳定探测。本发明发现了二维二硒化钯纳米薄膜在紫外-可见-红外波段范围内对偏振光信号均具有高灵敏的响应，究其原理，在于：如图1所示，二维二硒化钯纳米薄膜在面内具有独特的五边形不对称结构，且在面外方向上具有褶皱起伏的结构特性，这种独特的结构使其具有了各向异性光响应特性，因此可以将二维二硒化钯纳米薄膜制作成为偏振敏感的光电探测器，实现对偏振光信号的探测。同时，二维二硒化钯具有0-1.3电子伏特的宽可调带隙，因此可以制作成为宽波段的偏振敏感光电探测器，实现对波长覆盖紫外-可见-红外的偏振光信号的探测。
具体的，所述偏振敏感的光电探测器的结构为光电导型光电探测器或异质结型光电探测器。
进一步地，当所述偏振敏感的光电探测器的结构为光电导型光电探测器时：首先利用磁控溅射技术及化学气相沉积方法在绝缘衬底上生长二维二硒化钯纳米薄膜；再通过热蒸发、电子束镀膜或磁控溅射镀膜的方法在二维二硒化钯纳米薄膜上制备一对与所述二维二硒化钯纳米薄膜呈欧姆接触的金属电极，分别作为源、漏电极，从而获得偏振敏感的光电导型光电探测器。更进一步地，所述金属电极为金、银、钯、铂、铝、铜或钛电极。
进一步地，当所述偏振敏感的光电探测器的结构为异质结型光电探测器时：首先利用磁控溅射技术及化学气相沉积方法在绝缘衬底上生长二维二硒化钯纳米薄膜；然后将所得二维二硒化钯纳米薄膜转移到另一种半导体材料上，使二者之间形成异质结；最后再通过热蒸发、电子束镀膜或磁控溅射镀膜的方法，在二维二硒化钯纳米薄膜上制备与所述二维二硒化钯纳米薄膜呈欧姆接触的第一金属电极、在所述半导体材料上制备与所述半导体材料呈欧姆接触的第二金属电极，将两金属电极作为两输出极，从而获得偏振敏感的异质结型光电探测器。更进一步地，所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化钾的块体或其纳米结构，或者所述半导体材料为二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、二硒化铂或石墨烯的二维纳米薄膜。所述第一金属电极与所述第二金属电极各自独立的选自是金、银、钯、铂、铝、铜或钛。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明探索发现了对紫外-可见-红外波段范围内的偏振光信号具有高灵敏响应的二维二硒化钯纳米薄膜，将其构建成光电探测器，可以实现对宽波段偏振光信号的探测。且二维二硒化钯纳米薄膜具有较好的化学稳定性，基于其的光电探测器可以在空气中长期稳定的工作。本发明为偏振探测系统向微型化集成化高灵敏度方向的发展提供了可能，具有重要的价值。
2、本发明以二维二硒化钯纳米薄膜制作的偏振敏感的光电探测器，对偏振光信号具有明显的响应，在同一波长、不同偏振方向的光照射下，其电流值明显不同。且本发明构建的光电探测器对波长在0.2-10微米的光信号都有显著的光响应，同时具有较快的响应速度。因此，本发明利用二维二硒化钯纳米薄膜构建的偏振敏感的宽波段探测器可以在复杂的电磁环境下实现对波长覆盖紫外-可见-红外的偏振光信号的精确探测。
附图说明
图1为二硒化钯的原子结构图的顶视图(上图)和侧视图(下图)。
图2为本发明实施例所制得的二硒化钯纳米薄膜的原子力显微镜图，所测得薄膜厚度为20纳米。
图3为本发明实施例1基于二维二硒化钯纳米薄膜的光电导型光电探测器的结构示意图，图中标号：1为氧化硅片，2为二维二硒化钯纳米薄膜，3为金属电极。
图4为本发明实施例1所制备的光电探测器对650纳米偏振光的响应。
图5为本发明实施例2基于二维二硒化钯纳米薄膜与锗的异质结型光电探测器的结构示意图，图中标号：1为二维二硒化钯纳米薄膜，2为锗，3为第一金属电极，4为第二金属电极。
图6为本发明实施例2所制备的光电探测器对不同波长光信号的响应。
图7为本发明实施例2所制备的光电探测器对980纳米偏振光信号的响应。
图8为本发明实施例3基于二维二硒化钯纳米薄膜与硅纳米线阵列的异质结型光电探测器的结构示意图，图中标号：1为二维二硒化钯纳米薄膜，2为硅纳米线阵列，3为第一金属电极，4为第二金属电极。
图9为本发明实施例3所制备的光电探测器对1550纳米偏振光信号的响应。
图10为本发明实施例4基于二维二硒化钯纳米薄膜与二维二硫化钼纳米薄膜的异质结型光电探测器的结构示意图，图中标号：1为二维二硒化钯纳米薄膜，2为二维二硫化钼纳米薄膜，3为第一金属电极，4为第二金属电极。
图11为本发明实施例4所制备的光电探测器对365纳米偏振光信号的响应。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
下述实施例所用二维二硒化钯纳米薄膜利用磁控溅射技术及化学气相沉积方法制备，具体步骤如下：
(1)利用磁控溅射镀膜设备在清洗干净的氧化硅衬底上制备一层金属钯薄膜，厚度为10纳米；
(2)将镀有钯薄膜的衬底放入管式炉中，同时放入硒粉，并将管内抽成真空状态；
(3)向管内通入氩气，然后加热升温至480℃，保温1.5小时，即获得二维二硒化钯纳米薄膜。图2为二硒化钯纳米薄膜的原子力显微镜图，所测得薄膜厚度为20纳米。
下述实施例中，将二维硒化钯纳米薄膜转移到目标基底上的方法为：
(1)将聚甲基丙烯酸甲酯溶在苯甲醚中，配成50mg/mL的溶液，然后在55℃加热，使聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解；
(2)在生长有二维二硒化钯纳米薄膜的氧化硅片上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯溶液；
(3)将涂有聚甲基丙烯酸甲酯溶液的样品放入1mol/L的KOH溶液中，12小时后，把剥离下来的薄膜转移至去离子水中清洗，然后再转移至目标基底上，烘干，再用丙酮、去离子水冲洗，最后晾干即可。
实施例1
如图3所示，本实施例利用在氧化硅衬底上生长的二维二硒化钯纳米薄膜直接构建偏振敏感的光电导型光电探测器。具体是在二维二硒化钯纳米薄膜2上制备一对与二维二硒化钯纳米薄膜呈欧姆接触的金属电极3，本实施例采用厚度为50纳米的金电极。经测试表明，如图4所示，本实施例的光电探测器对650纳米的偏振光的响应灵敏度为5.1。
实施例2
如图5所示，本实施例基于二维二硒化钯纳米薄膜与锗的异质结，构建偏振敏感的异质结型光电探测器，具体方法是：首先将二维二硒化钯纳米薄膜转移到锗基底上：然后通过热蒸发分别在二维二硒化钯薄膜表面制备100纳米厚的银电极作为第一金属电极、在锗基底表面制备100纳米厚的铟镓合金电极作为第二金属电极，即完成偏振敏感的异质结型光电探测器的制备。经测试表明，如图6所示，本实施例的光电探测器对紫外、可见和红外光均有良好的光响应。此外该器件对980纳米的偏振光的响应灵敏度为7.9，如图7所示。
实施例3
如图8所示，本实施例基于二维二硒化钯纳米薄膜与硅纳米线阵列的异质结，构建偏振敏感的异质结型光电探测器，具体方法是：首先将二维二硒化钯纳米薄膜转移到硅纳米线阵列的表面：然后通过热蒸发在二维二硒化钯薄膜表面蒸镀厚度为80纳米的金作为第一金属电极，在硅纳米线阵列上制备100纳米厚的银作为第二金属电极，即完成偏振敏感的异质结型光电探测器的制备。其中，硅纳米线阵列是采用金属辅助化学刻蚀法制得。经测试表明，如图9所示，本实施例的光电探测器对1550纳米的偏振光的响应灵敏度为7.6。
实施例4
如图10所示，本实施例基于二维二硒化钯纳米薄膜与二维二硫化钼薄膜的异质结，构建偏振敏感的异质结型光电探测器，具体方法是：首先将二维二硒化钯纳米薄膜转移到二维二硫化钼薄膜的表面：然后通过热蒸发在二维二硒化钯薄膜表面和二维二硫化钼薄膜表面制备50纳米厚的金作为第一金属电极和第二金属电极，即完成偏振敏感的异质结型光电探测器的制备。其中，二维二硫化钼薄膜通过两步热分解的方法制得，厚度约为3.4纳米。经测试表明，如图11所示，本实施例的光电探测器对365纳米的偏振光的响应灵敏度为4.8。
Claims (7)
1.一种二维二硒化钯纳米薄膜在宽波段偏振光信号检测中的应用，其特征在于：以二维二硒化钯纳米薄膜作为光敏感层，制作偏振敏感的光电探测器，实现对宽波段偏振光信号的稳定探测。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述偏振敏感的光电探测器的结构为光电导型光电探测器或异质结型光电探测器。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：当所述偏振敏感的光电探测器的结构为光电导型光电探测器时：首先利用磁控溅射技术及化学气相沉积方法在绝缘衬底上生长二维二硒化钯纳米薄膜；再通过热蒸发、电子束镀膜或磁控溅射镀膜的方法在二维二硒化钯纳米薄膜上制备一对与所述二维二硒化钯纳米薄膜呈欧姆接触的金属电极，分别作为源、漏电极，从而获得偏振敏感的光电导型光电探测器。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述金属电极为金、银、钯、铂、铝、铜或钛电极。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：当所述偏振敏感的光电探测器的结构为异质结型光电探测器时：首先利用磁控溅射技术及化学气相沉积方法在绝缘衬底上生长二维二硒化钯纳米薄膜；然后将所得二维二硒化钯纳米薄膜转移到另一种半导体材料上，使二者之间形成异质结；最后再通过热蒸发、电子束镀膜或磁控溅射镀膜的方法，在二维二硒化钯纳米薄膜上制备与所述二维二硒化钯纳米薄膜呈欧姆接触的第一金属电极、在所述半导体材料上制备与所述半导体材料呈欧姆接触的第二金属电极，将两金属电极作为两输出极，从而获得偏振敏感的异质结型光电探测器。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓或氧化钾的块体或其纳米结构，或者所述半导体材料为二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化钨、二硒化铂或石墨烯的二维纳米薄膜。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述第一金属电极与所述第二金属电极各自独立的选自是金、银、钯、铂、铝、铜或钛。
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