CN110098267A - 一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器及制备方法，属于中红外光探测技术领域。本发明包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯层以及覆盖在石墨烯层上的三氧化钼微纳结构阵列；三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层边缘上方设置有电极，电极延伸到三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层重叠区域。为解决上述技术问题，本发明实现了在中红外波段具有大幅提升的光电转换效率，制备方法简单，而且成本低的目的。
Description
技术领域
本发明属于中红外光探测技术领域。
背景技术
石墨烯，作为一种优异的光电材料，在中红外光探测领域具有非常大的潜力。基于其独特的能带特性，石墨烯中外光探测器的工作波长范围是超宽且可调的。目前，用石墨烯作为吸光功能层的中红外光探测器普遍存在暗电流较大、信噪比较低，并且单原子层光吸收率（~2.3%）低，使得基于单原子层本征石墨烯的光电子器件无法取得足够强的光-物质相互作用。为了解决这一问题，通常采用表面等离激元增强红外光吸收，将贵金属纳米结构阵列集成在石墨烯器件上，扩大光响应面积，以提升光电转换量子效率。然而，基于金属结构的表面等离激元共振一般损耗较大，耦合效率低。
近期，基于范德瓦尔斯极性材料的声子极化激元表现出优于传统等离激元的性质。声子激元产生于极性晶格中，由束缚在晶格附近的电荷，响应入射的电磁辐射而形成的一种电磁震荡，其最显著的特点是具有极低的损耗，并且对于谐振波长的响应更加强烈，谐振的峰宽更窄。特别地，天然层状三氧化钼晶体被报道具有超低损耗面内各向异性声子激元，能强烈耦合中红外光，所产生的极化激元拥有超长的寿命。因此，如何有效的集成低损耗声子激元和石墨烯，增强中外光吸收效率，制备出超高性能的中红外光探测器，依然是一项亟需解决的挑战。
有鉴于此，本发明人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种在中红外光波段具有极高的光电转换效率，制备方法简单、成本低，而且重复性好的基于声子激元增强的石墨烯光探测器及其制备方法。
一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、石墨烯层以及覆盖在石墨烯层上的三氧化钼微纳结构阵列；三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层边缘上方设置有电极，电极延伸到三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层重叠区域。
比较好的是，本发明的硅衬底上朝向二氧化硅层的一侧涂覆有作为背栅的金属层。
比较好的是，本发明的电极是蝴蝶形天线电极，由金、钛、铬、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合构成。
一种本发明的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器的方法，包括如下步骤：
第一步：准备并清洗具有二氧化硅层的重度掺杂的硅衬底；
第二步：将聚甲基丙烯酸甲酯均匀涂覆在表面生长石墨烯的铜箔上，然后烘干；
第三步：将热解释放带粘在第二步涂有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯表面上，并把石墨烯放入三氯化铁溶液中浸泡直至铜箔全部消失；
第四步：将第三步中粘有石墨烯的热解释放带从三氯化铁溶液中拿出，清洗并晾干后覆盖在第一步清洗后的硅衬底上，加热并缓慢撕去热解释放带；
第五步：去除第四步加热后的带有石墨烯的硅衬底上的聚甲基丙烯酸甲酯，然后清洗并烘干；
第六步：采用离子刻蚀技术将另一硅衬底上的三氧化钼薄膜图案化，刻蚀成微纳结构阵列，该阵列是一维或二维周期性微米或纳米结构；
第七步：在第六步制得的三氧化钼阵列上均匀涂覆聚苯乙烯薄膜，并烘干，然后将热解释放带粘在聚苯乙烯薄膜表面，随后在水分子辅助下缓慢撕开，从硅衬底上分离出三氧化钼阵列；
第八步：将第七步具有三氧化钼阵列的热解释放带覆盖在第五步得到的石墨烯表面，加热并缓慢撕去热解释放带；
第九步：去除第八步加热后的带有石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列异质结构的硅片上的聚苯乙烯，然后清洗并烘干；
第十步：在光刻机的显微镜下寻找石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列复合区域，随后曝光、显影；
第十一步：电子束蒸镀金属钛和金，随后用丙酮溶液去除剩余的光刻胶，形成金属电极，将电极布置在石墨烯层与三氧化钼微纳结构阵列重叠区域。
比较好的是，本发明制备方法的第一步中分别用丙酮、异丙醇、去离子水对硅衬底进行清洗，然后用氮气枪将硅片吹干。
比较好的是，本发明制备方法的第二步中通过化学气相沉积法将石墨烯生长在铜箔表面。
比较好的是，本发明制备方法的第二步中将生长在铜箔表面的石墨烯放在加热台上，在100-500℃下烘30-100分钟。
比较好的是，本发明制备方法的第四步中粘有石墨烯的热解释放带从三氯化铁溶液中拿出后，转移到去离子水中静置清洗，然后拿出使水分蒸发。
比较好的是，本发明制备方法的第五步中用丙酮溶液去除聚甲基丙烯酸甲酯，待聚甲基丙烯酸甲酯去除干净后，将带有石墨烯层的硅衬底从丙酮溶液中取出，依次放入异丙醇、去离子水中清洗，并用氮气枪吹干。
比较好的是，本发明制备方法的第六步中所述离子刻蚀技术可以是聚焦离子束刻蚀，等离子刻蚀等技术。
比较好的是，本发明制备方法的第八步中在三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯接触后，放在加热台上40-95℃加热30-100分钟，缓慢撕去热解释放带。
比较好的是，本发明制备方法的第九步中用甲苯溶液去除聚苯乙烯，待聚苯乙烯去除干净后，将带有三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层的硅衬底从甲苯溶液中取出，依次放入异丙醇、去离子水中清洗，并用氮气枪吹干。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：
1、利用三氧化钼微纳结构阵列产生的声子激元共振，增强石墨烯在中红外光波段的吸收，谐振因子高，耦合损耗小，克服了当前贵金属材料表面等离激元难以增强中红外波段的光响应的难题。
2、利用三氧化钼微纳结构阵列的周期与形貌的可调性，易于实现石墨烯在中红外光波段的共振吸收谱带的可调谐，从而获得宽波段可调的窄带中红外光探测。
3、利用三氧化钼晶体声子激元传播的面内各向异性，可实现对中红外光的偏振与角度依赖响应，以此实现石墨烯光探测器对中红外光偏振性的有效探测。
4、本发明的基于声子激元增强的光电探测器在中红外光波段具有增强的光电转换效率，制备方法简单、成本低，结合了石墨烯和三氧化钼微纳结构阵列各自的优势，在中红外光探测领域中具有十分潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明中基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器的器件结构示意图；
图2 是本发明中三氧化钼微纳结构阵列的一种正方形图案的俯视图。
图3 是本发明中三氧化钼微纳结构阵列的一种圆形图案的俯视图。
图4 是本发明中基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一较佳实施例所述的一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底1、二氧化硅层2、石墨烯层3以及覆盖在石墨烯层3上的三氧化钼微纳结构阵列4；石墨烯层3的面积小于二氧化硅层2的面积，三氧化钼微纳结构阵列4的面积小于石墨烯层3的面积；三氧化钼微纳结构阵列4与石墨烯层3形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层3边缘上方设置有电极5，电极5延伸到三氧化钼微纳结构阵列4与石墨烯层3重叠区域。
本发明在硅衬底1的背面（即朝向二氧化硅层2的那一面）上涂覆作为背栅的金属层。在硅衬底上施加背栅能够实现对石墨烯的费米能级调控；二氧化硅层2，作为栅介质，起绝缘和隔离的作用；石墨烯层3位于二氧化硅层上方，作为光吸收层和载流子传输层，石墨烯的能带结构确保在中红外光波段实现光吸收；三氧化钼微纳结构阵列4，作为声子激元功能层，覆盖在石墨烯表面，用来增强对中红外光的耦合吸收，提高器件的响应度；金属电极5，用于外加偏压，位于石墨烯的上方，并且直接与石墨烯接触，但不与三氧化钼微纳结构阵列接触。中红外光照下，三氧化钼微纳结构阵列所激发的声子极化激元可以产生高强度局域电场，使得中红外电磁波被石墨烯有效吸收，所产生的光生载流子经由石墨烯传输到两侧的金属电极，被金属电极收集形成光电流。具体的，两金属电极材质为钛与金的复合电极，电极图案为蝴蝶形天线状电极，用以高效捕获中红外光波长，削弱光热效应。
三氧化钼微纳结构阵列4具有可调的周期与形状，比如一维条带状阵列，二维正方形阵列41（如图2），或者二维圆盘形阵列42（如图3）等。
本发明中石墨烯光吸收层和三氧化钼微纳结构阵列功能层接触后，可产生具有声子激元增强光吸收的异质结构，从而使光电探测器具有很高的光俘获效率和光电转换产率。
本发明的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器通过如下方法步骤制备：
第一步：准备并清洗具有二氧化硅层的重度掺杂的硅衬底；
第二步：将聚甲基丙烯酸甲酯均匀涂覆在表面生长石墨烯的铜箔上，然后烘干；
第三步：将热解释放带粘在第二步涂有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯表面上，并把石墨烯放入三氯化铁溶液中浸泡直至铜箔全部消失；
第四步：将第三步中粘有石墨烯的热解释放带从三氯化铁溶液中拿出，清洗并晾干后覆盖在第一步清洗后的硅衬底上，加热并缓慢撕去热解释放带；
第五步：去除第四步加热后的带有石墨烯的硅衬底上的聚甲基丙烯酸甲酯，然后清洗并烘干；
第六步：采用离子刻蚀技术将另一硅衬底上的三氧化钼薄膜图案化，刻蚀成微纳结构阵列，该阵列是一维或二维周期性微米或纳米结构；
第七步：在第六步制得的三氧化钼阵列上均匀涂覆聚苯乙烯薄膜，并烘干，然后将热解释放带粘在聚苯乙烯薄膜表面，随后在水分子辅助下缓慢撕开，从硅衬底上分离出三氧化钼阵列；
第八步：将第七步具有三氧化钼阵列的热解释放带覆盖在第五步得到的石墨烯表面，加热并缓慢撕去热解释放带；
第九步：去除第八步加热后的带有石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列异质结构的硅片上的聚苯乙烯，然后清洗并烘干；
第十步：在光刻机的显微镜下寻找石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列复合区域，随后曝光、显影；
第十一步：电子束蒸镀金属钛和金，随后用丙酮溶液去除剩余的光刻胶，形成金属电极，将电极布置在石墨烯层与三氧化钼微纳结构阵列重叠区域。
通过上述方法制备的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器在中红外光照下测试得到光电流及响应率（如图4）。通过半导体参数测试仪分别测试光探测器在中红外光照下和无光照下的输出特征曲线，根据器件在光照下、无光照下的输出电流差值得到光电流, 进而测算得出器件的光响应率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于包括自下而上依次层叠设置的硅衬底（1）、二氧化硅层（2）、石墨烯层（3）以及覆盖在石墨烯层（3）上的三氧化钼微纳结构阵列（4）；三氧化钼微纳结构阵列（4）与石墨烯层（3）形成声子激元增强的异质结构；石墨烯层边缘上方设置有电极（5），电极（5）延伸到三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层重叠区域。
2.根据权利要求1所述的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于上述硅衬底（1）上朝向二氧化硅层（2）的一侧涂覆有作为背栅的金属层。
3.根据权利要求1所述的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器，其特征在于上述电极（5）是一种蝴蝶形天线电极，由金、钛、铬、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合构成。
4.一种制备权利要求1所述的基于声子激元增强的石墨烯中红外光探测器的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：准备并清洗具有二氧化硅层的重度P型掺杂的硅衬底；
第二步：将聚甲基丙烯酸甲酯均匀涂覆在表面生长石墨烯的铜箔上，然后烘干；
第三步：将热解释放带粘在第二步涂有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯表面上，并把石墨烯放入三氯化铁溶液中浸泡直至铜箔全部消失；
第四步：将第三步中粘有石墨烯的热解释放带从三氯化铁溶液中拿出，清洗并晾干后覆盖在第一步清洗后的硅衬底上，加热并缓慢撕去热解释放带；
第五步：去除第四步加热后的带有石墨烯的硅衬底上的聚甲基丙烯酸甲酯，然后清洗并烘干；
第六步：采用离子刻蚀技术将另一硅衬底上的三氧化钼薄膜图案化，刻蚀成微纳结构阵列，该阵列是一维或二维周期性微米或纳米结构；
第七步：在第六步制得的三氧化钼阵列上均匀涂覆聚苯乙烯薄膜，并烘干，然后将热解释放带粘在聚苯乙烯薄膜表面，随后在水分子辅助下缓慢撕开，从硅衬底上分离出三氧化钼阵列；
第八步：将第七步具有三氧化钼阵列的热解释放带覆盖在第五步得到的石墨烯表面，加热并缓慢撕去热解释放带；
第九步：去除第八步加热后的带有石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列异质结构的硅片上的聚苯乙烯，然后清洗并烘干；
第十步：在光刻机的显微镜下寻找石墨烯与三氧化钼微纳结构阵列复合区域，随后曝光、显影；
第十一步：电子束蒸镀金属钛和金，随后用丙酮溶液去除剩余的光刻胶，形成金属电极，将电极布置在石墨烯层与三氧化钼微纳结构阵列重叠区域。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第一步中分别用丙酮、异丙醇、去离子水对硅衬底进行清洗，并用氮气枪将硅衬底吹干。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第二步中通过化学气相沉积法将石墨烯生长在铜箔表面。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第二步中将生长在铜箔表面的石墨烯放在加热台上，在100-500℃下烘30-100分钟。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第四步中粘有石墨烯的热解释放带从三氯化铁溶液中拿出后，转移到去离子水中静置清洗，然后拿出使水分蒸发。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第五步中用丙酮溶液去除聚甲基丙烯酸甲酯，待聚甲基丙烯酸甲酯去除干净后，将带有石墨烯层的硅衬底从丙酮溶液中取出，依次放入异丙醇、去离子水中清洗，并用氮气枪吹干。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第六步中所述离子刻蚀技术可以是聚焦离子束刻蚀，等离子刻蚀等技术。
11.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第八步中在三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯接触后，放在加热台上40-95℃加热30-100分钟，缓慢撕去热解释放带。
12.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于上述第九步中用甲苯溶液去除聚苯乙烯，待聚苯乙烯去除干净后，将带有三氧化钼微纳结构阵列与石墨烯层的硅衬底从甲苯溶液中取出，依次放入异丙醇、去离子水中清洗，并用氮气枪吹干。
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