CN110233173A - 一种多功能器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多功能器件，包括衬底，薄膜电极，量子点胶体颗粒，金属电极。本发明在衬底上，通过将带状二维材料薄膜断开，在外加驱动电压作用下，用胶体量子点将断开的薄膜重新连接的方式获得多功能器件，最终形成二维材料薄膜/量子点/二维材料薄膜的特殊平面结构。本发明提供的多功能器件其功能类似传统的光电二极管，具有很好的整流特性和光电探测性能，本发明提供的多功能器件与传统半导体光电二极管的区别在于，其性能受温度影响小，并且具有非常高的光电响应。同时，本发明提供的多功能器件的制备方法工艺简单，对衬底没有选择，而且二维材料薄膜、量子点原材料广泛，制备容易，成本低廉，对环境友好，适合工业化生产。

Description

一种多功能器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种多功能器件及其制备方法。
背景技术
基础电子器件如二极管、光电探测器等是人们生活中常见的必不可少的电子器件。基于传统半导体的电子器件已经无法满足人们日益增长的需求，低维材料和器件正成为当今科学界的尖端领域。其中，石墨烯，单层二硫化钼，寡层黑磷，富勒烯，碳纳米管，碳量子点(CQDs)等低维材料因其优异的物理性能和化学稳定性而获得了广泛的研究。许多复合结构通过物理堆叠方法实现，被广泛研究和制作成原型电子器件，如Grzybowski等(Naturenanotechnology,2016,11(7):603-608.)使用带有电荷的有机配体的官能化金属纳米粒子来制造化学电子学的电路，通过粘附两层不同的带电金属纳米颗粒，创建了一个没有半导体的二极管，开/关比为6。陈等(Nano Letters,2017,17(7):4122-4129.)通过钾离子参杂半边黑磷的上表面，使得该半边呈现P型参杂，另半边本征N型，实现了理想因子为1.007和开/关比为104的p-n同质结二极管。
然而，现有技术中这些具有多功能的优秀结构的电子器件制备工艺繁琐，原料成分复杂，而且性能不理想。高开关比以及高光电响应信号的光电探测器具有广泛的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多功能器件，本发明提供的多功能器件具有较高的开关比和光电响应信号。
本发明提供了一种多功能器件，包括：
衬底；
设置在所述衬底表面的第一薄膜电极；
设置在所述衬底表面的第二薄膜电极；
所述第一薄膜电极和第二薄膜电极通过量子点胶体颗粒连接；
设置在所述第一薄膜电极表面的部分第一金属电极，所述第一金属电极的另一部分设置在所述衬底表面；
设置在所述第二薄膜电极表面的部分第二金属电极，所述第二金属电极的另一部分设置在所述衬底表面。
本发明对所述衬底的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的衬底即可，如硅衬底、玻璃衬底或塑料衬底，所述硅衬底的材质可以为硅或二氧化硅；所述玻璃衬底的材质可以为石英玻璃；所述塑料衬底优选为柔性有机塑料衬底；所述塑料衬底的材质可以为聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二酯。
在本发明中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极均设置在所述衬底表面。本发明对所述第一薄膜电极和第二薄膜电极的形状和尺寸没有特殊的限制，本领域技术人员可根据实际需要选择合适形状和尺寸的第一薄膜电极和第二薄膜电极。在本发明中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极的形状优选为矩形，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极间隔设置在所述衬底表面，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极优选左右对称分布在所述衬底表面。在本发明中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极之间的最短距离优选为5～30微米，更优选为10～25微米，最优选为15～20微米。
二维材料自从被发现以来一直是科研前沿材料之一，以石墨烯为例，石墨烯有着许多独特的性能，比如超高的载流子迁移率，极低的载流子浓度，杨氏模量大，透光率好，比表面积大，易于与其它化学集团组装等。而自从化学气相沉积生长单层石墨烯的方法问世之后，对石墨烯的研究更加广泛，也使得石墨烯能够与应用走得更近。在本发明中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极优选为带状二维材料薄膜电极；本发明对所述二维材料的种类没有特殊的限制，本领域技术人员可根据所需多功能器件的性能选择不同的二维材料，所述二维材料薄膜电极优选为单层结构的薄膜电极；所述二维材料优选为石墨烯或单层二硫化钼。
量子点胶体颗粒是一种非常好的荧光材料，并且环境友好，制备简单。在本发明中，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极通过量子点胶体颗粒分隔，也可以说通过量子点胶体颗粒连接。在本发明中，所述量子点胶体颗粒优选为带电量子点胶体颗粒。本发明对所述量子点胶体颗粒的种类没有特殊的限制，本领域技术人员可根据所需多功能器件的性能选择不同的量子点胶体颗粒；所述量子点胶体颗粒优选为碳量子点胶体颗粒或金量子点胶体颗粒。
本发明提供的多功能器件具有独特的结构，将二维材料薄膜与另一种量子点材料组装在一起，获得一个性能优良的全新多功能器件。
在本发明中，所述第一金属电极部分设置在所述第一薄膜电极表面，另一部分设置在所述衬底表面，所述第一薄膜电极位于衬底和第一金属电极之间；所述第二金属电极部分设置在所述第二薄膜电极表面，另一部分设置在所述衬底表面，所述第二薄膜电极位于衬底和第二金属电极之间；所述第一金属电极、第一薄膜电极和衬底之间均接触；所述第二金属电极、第二薄膜电极和衬底之间均接触；所述第一薄膜电极的部分底面和衬底接触，所述第一薄膜电极的部分表面和第一金属电极的部分底面接触，所述第一金属电极的另一部分底面和衬底接触；所述第二薄膜电极的部分底面和衬底接触，所述第二薄膜电极的部分表面和第二金属电极的部分底面接触，所述第二金属电极的另一部分底面和衬底接触。本发明对所述第一金属电极和第二金属电极的尺寸和形状没有特殊的限制，本领域技术人员可根据实际需要选择合适形状和尺寸的第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极优选为矩形，所述第一金属电极优选设置在所述第一薄膜电极表面边缘，所述第一金属电极超出第一薄膜电极表面的部分与衬底表面接触；所述第二金属电极优选设置在所述第二薄膜电极表面边缘，所述第二金属电极超出第二薄膜电极表面的部分与衬底表面接触。
在本发明中，所述第一金属电极和第二金属电极的厚度优选为80～120nm，更优选为90～110nm，最优选为100nm。
本发明对所述第一金属电极和第二金属电极的材质没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的金属电极即可，如金电极、银电极或铜电极。
本发明实施例提供的多功能器件的结构示意图如图1所示，图1中(a)为侧视图，(b)为俯视图，包括：
衬底(1)；
化学气相沉积在衬底(1)表面左右两边的两个二维材料薄膜电极(3)；
设置在两个二维材料薄膜电极表面的部分金属电极(2)，金属电极(2)的另一部分设置在衬底(1)表面；
设置在两个二维材料薄膜电极之间的量子点胶体颗粒(4)。
在本发明中，所述衬底上可以设置多组包括两个二维薄膜电极(3)，金属电极(2)和量子点胶体颗粒(4)的组件，这些组件可平行排列，如图1中的b所示。
本发明提供了一种上述技术方案所述的多功能器件的制备方法，包括：
在衬底表面制备互不接触的第一薄膜电极和第二薄膜电极；
采用外加电场通过量子点胶体颗粒溶液将所述第一薄膜电极和第二薄膜电极连通；
在所述第一薄膜电极和衬底表面设置第一金属电极；
在所述第二薄膜电极和衬底表面设置第二金属电极。
在本发明中，所述衬底、第一薄膜电极、第二薄膜电极、量子点胶体颗粒、第一金属电极和第二金属电极的材质和结构与上述技术方案所述的衬底、第一薄膜电极、第二薄膜电极、量子点胶体颗粒、第一金属电极和第二金属电极的材质和结构一致，在此不再赘述。
本发明对所述第一薄膜电极和第二薄膜电极的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的二维材料的制备方法制备得到即可，如可采用低压化学气相沉积法、机械剥离法、碳化硅高温热解法制备得到石墨烯，然后将石墨烯刻蚀成所需的电极形状；或者采用双温区化学气相沉积法制备得到二硫化钼薄膜。
本发明优选采用湿法转移将所述第一薄膜电极和第二薄膜电极转移至衬底表面。
在本发明中，所述量子点胶体颗粒溶液设置在所述第一薄膜电极和第二薄膜电极之间，通过向量子点胶体颗粒溶液外加电场，实现量子点胶体颗粒在相邻的带状二维材料薄膜电极(第一薄膜电极和第二薄膜电极)之间的组装。在本发明中，通过对量子点胶体颗粒溶液外加电场，使量子点胶体颗粒在第一薄膜电极和第二薄膜电极之间呈现出一个浓度梯度。在本发明中，优选在所述第一金属电极和第二金属电极之间施加恒流稳定电压，待量子点胶体颗粒溶液中的溶剂完全挥后撤掉电压。
在本发明中，所述外加电场优选为恒流场，所述外加电场的强度优选为1～3V/cm，更优选为1.5～2.5V/cm，最优选为2V/cm。在本发明中，所述量子点胶体颗粒溶液优选为量子点胶体颗粒的水溶液。本发明对所述量子点胶体颗粒溶液的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的量子点胶体颗粒溶液的制备技术方案即可。在本发明中，所述量子点胶体颗粒溶液优选为碳量子点胶体颗粒溶液或金量子点胶体颗粒溶液；所述碳量子点胶体颗粒溶液的制备方法优选为：
将石墨棒作为两电极放入去离子水中；
对两电极加直流恒压电源使石墨棒电解，得到溶液；
将所述溶液进行离心，得到沉淀；
将所述沉淀分散在去离子水中，得到碳量子点胶体颗粒溶液。
在本发明中，所述石墨棒优选为高纯石墨棒；所述去离子水的电阻率优选大于18.2兆欧/厘米。
在本发明中，所述金量子点胶体颗粒溶液的制备方法优选为水热法，如可采用柠檬酸三钠为还原剂，水浴加热，将氯金酸加入其中剧烈搅拌，得到金量子点胶体颗粒溶液。
本发明首次将外电场驱动的方式应用到多功能器件(光电探测器)的制备中来，提出了一种全新的制备方法，本发明提供的制备方法过程简单，成本低廉，对衬底没有选择性，可以选择成熟的Si基衬底，也可以选择透明柔性衬底，扩大了本发明提供的多功能器件的应用范围。另外，本发明所采用的二维材料薄膜与量子点材料作为低维材料，原材料来源广泛制备容易，并且对环境友好，适合工业化生产。
与现有技术相比，本发明提供的多功能器件是将二维材料薄膜与另一种量子点材料以一种巧妙的结构组装在一起，制备得到高开关比的整流行为器件以及高响应的光电探测器。本发明利用二维材料薄膜优异的电学特性，将二维材料做成电极，巧妙地通过外加电场驱动的方式将量子点组装在二维材料薄膜电极之间。本发明提供的多功能器件具有高开关比，高光电响应的优点，并且，本发明提供的这种多功能器件的制备组装方法可以扩展到不同二维材料和胶体颗粒的组装，获得不同性能的多功能器件，具有深远意义。
本发明提供的多功能器件与传统半导体二极管相比，对温度不敏感，同时具有很好的开关比，优于现有的已知的基于量子点的整流器件，并且对外加栅极电压不敏感。本发明提供的多功能器件对可见光有很好的光电响应，光电灵敏度超过市面商业光电探测器，对不同波长的光响应都很强，与量子点本身的吸收谱吻合，而且具有非常好的稳定性，能够连续稳定工作。
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，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的多功能器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1中石墨烯和碳量子点的拉曼光谱；
图3为本发明实施例1制备多功能器件过程中器件结构变化示意图；
图4为本发明实施例1提供的多功能器件的整流曲线；
图5为本发明实施例2中石墨烯电极的实物光学显微镜照片(不同距离)；
图6为本发明实施例3中提供的多功能器件的实物图；
图7为本发明实施例4提供的多功能器件在降温过程中的电流电压曲线；
图8为本发明实施例5提供的多功能器件对405nm入射光的光电响应曲线；
图9为本发明实施例6提供的多功能器件对532nm的入射光的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例1提供的多功能器件的结构示意图如图1所示，包括：氧化硅衬底(1)，设置在氧化硅衬底表面左右两边距离为10微米的两个石墨烯薄膜电极(3)，两个石墨烯薄膜电极之间设置有碳量子点(4)；两个石墨烯薄膜电极表面分别设置有部分金电极(2)，金电极的另一部分与衬底接触。
本发明实施例1制备多功能器件过程中其结构变化的示意图如图3所示，多功能器件制备方法如下：
1)单层石墨烯的制备采用的是化学气相沉积方法：
将铜箔用醋酸和水的质量比为1：1的醋酸水溶液浸泡4个小时，然后用丙酮和异丙醇清洗铜箔表面残留，将铜箔裁成10cm*10cm尺寸，放入石英管内，对石英管腔体进行抽气处理，待腔体内达到真空要求，将温度升到1000℃，氢气气氛下退火，通入少量甲烷，反应一段时间，然后快速降到室温，待温度降到室温后，将生长好的石墨烯取出备用。
2)碳量子点溶液的制备：
将高纯石墨棒作为两电极，放入去离子水(电阻率大于18.2兆欧/厘米)中，对两电极加直流恒压电源，长时间后石墨棒自行电解，形成溶液，对溶液进行离心，将得到的沉淀再次分散在去离子水中，得到碳量子点溶液。
3)单层石墨烯的转移方法是采用的湿法转移：
将上述制备的铜基石墨烯压平，上表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护，旋涂的转速4000转/分钟，时间1分钟，然后将其漂浮在腐蚀液(三氯化铁溶液)中12小时，将铜箔刻蚀干净，将得到的石墨烯薄膜转移至氧化硅衬底表面。
4)采用微纳加工方法将转移好的石墨烯制备电极，在无尘间里面操作，因涉及到曝光，所以是黄光区：
首先在石墨烯表面旋涂一层光刻胶(AZ6112)，采用紫外光刻的方法，曝光时间2s，显影时间40s，在石墨烯表面制备图形，然后进行前烘，之后采用等离子体刻蚀，氧气流量为50sccm，功率200W，时间为30s，将石墨烯刻蚀成需要的形状；最后，再重复一遍涂胶，光刻，显影的步骤，得到石墨烯薄膜电极。
采用磁控溅射方法制备金属电极，基底钛10nm，镀层金100nm；将镀完金属的样品放在丙酮内进行剥离，得到金电极。
5)多功能器件的制备：
将上述制备的碳量子点水溶液滴在两个石墨烯电极之间，在两个石墨烯电极表面覆盖金电极，在两个金电极两端加恒流电压2V/cm，进行组装排列碳量子点胶体颗粒，得到多功能器件。
对本发明实施例1制备得到的石墨烯和碳量子点溶液进行拉曼检测，检测结果如图2所示，根据图2的拉曼光谱，通过计算2D/G峰值比可以看出石墨烯为单层石墨烯，D峰强度看出石墨烯缺陷非常少，均匀sp2杂化的碳原子。碳量子点的拉曼谱中也可以看出碳材料的特征峰都很好的存在。
对本发明实施例1制备得到的多功能器件采用Keithley 2410电表进行检测，检测结果如图4所示，从图4中可以看出，本发明实施例1制备得到的多功能器件具有非常好的开关比，可容忍±15V的电压，反向截止电流也非常稳定。
实施例2
按照实施例1的方法制备得到石墨烯薄膜电极距离不同的多个多功能器件，两个石墨烯薄膜电极之间的距离在5～30微米之间，如图5所示。
实施例3
按照实施例1所述的方法制备得到两个多功能器件，与实施例1不同的是，采用的衬底不同，一个多功能器件的衬底为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，如图6中的a)所示，另一个多功能器件的衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，如图6中的b)所示。
实施例4
按照实施例1所述的方法制备得到多功能器件，与实施例1的区别在于，采用碳化硅高温热解法制备石墨烯：
将表面已经过氧化或氢气刻蚀后的碳化硅在超高真空的条件下通过电子轰击加热到1000℃，去除其表面的氧化物。将去除氧化物的碳化硅样品升温至1450℃，在恒温中保持15分钟，得到石墨烯。
采用综合物性测量平台(PPMS)测试，本发明实施例4制备得到的多功能器件降温过程中的电压和电流，检测结果如图7所示，从图7可以看出，温度对本发明实施例制备的多功能器件的影响较小。
实施例5
按照实施例1所述的方法制备得到多功能器件，与实施例1不同的是，采用金颗粒代替实施例1中的碳量子点，所述金颗粒的制备方法为水热法：
以柠檬酸三钠为还原剂，水浴加热，将氯金酸缓慢滴加在其中，剧烈搅拌，2小时左右，获得深粉红色的金颗粒溶液。
采用高频斩波器模拟脉冲激光信号，采用示波器来收集光电相应信号，对本发明实施例5制备的多功能器件两端(两金属电极)施加-15V的反向电压，激光器垂直于器件的衬底方向入射，测试本发明实施例5制备得到的多功能器件对405nm入射光的电流-电压曲线，检测结果如图8所示，由图8可知，本发明制备得到的多功能器件作为一个光电探测器，光电响应信号非常强，光电响应最高可达1500(A/W)，目前商用光电二极管该项内容指标仅在1(A/W)左右，同时本发明提供的器件响应非常迅速，响应时间在10ms左右。
实施例6
按照实施例1所述的方法制备得到多功能器件，与实施例1的区别在于，采用二维二硫化钼替换实施例1中的石墨烯，所述二维材料薄膜二硫化钼的制备方法为：
采用双温区化学气相沉积法制备二硫化钼，首先用高纯氩气对管体进行清洗，将高纯硫粉至于前端低温区，将高纯氧化钼至于后端高温区，生长二硫化钼的衬底为单面抛光的氧化硅/硅片，清洗干净放置在高温区氧化钼上方，将两个温区分别加热，半个小时左右即可获得所需二硫化钼薄膜。
采用高频斩波器模拟脉冲激光信号，采用示波器来收集光电相应信号，对本发明实施例6制备的多功能器件两端(两金属电极)施加-15V的反向电压，激光器垂直于器件的衬底方向入射，测试本发明实施例6制备得到的多功能器件对532nm入射光的电流-电压曲线，检测结果如图9所示，由图9可知，本发明实施例制备的多功能器件作为一个光电探测器，光电响应信号非常强，光电相应最高可达1600(A/W)，同时响应非常迅速。
由以上实施例可知，本发明提供了一种多功能器件，包括衬底，薄膜电极，量子点胶体颗粒，金属电极。本发明在衬底上，通过将带状二维材料薄膜断开，在外加驱动电压作用下，用胶体量子点将断开的薄膜重新连接的方式获得多功能器件，最终形成二维材料薄膜/量子点/二维材料薄膜的特殊平面结构。本发明提供的多功能器件其功能类似传统的光电二极管，具有很好的整流特性，光电探测性能，本发明提供的多功能器件与传统半导体光电二极管的区别在于，其性能受温度影响小，并且具有非常高的光电响应。同时，本发明提供的多功能器件的制备方法工艺简单，对衬底没有选择，而且二维材料薄膜、量子点，原材料广泛，制备容易，成本低廉，对环境友好，适合工业化生产。
以上实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。同时，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多功能器件，包括：
衬底；
设置在所述衬底表面的第一薄膜电极；
设置在所述衬底表面的第二薄膜电极；
所述第一薄膜电极和第二薄膜电极通过量子点胶体颗粒连接；
设置在所述第一薄膜电极表面的部分第一金属电极，所述第一金属电极的另一部分设置在所述衬底表面；
设置在所述第二薄膜电极表面的部分第二金属电极，所述第二金属电极的另一部分设置在所述衬底表面。
2.根据权利要求1所述的多功能器件，其特征在于，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极的材质选自二维材料。
3.根据权利要求2所述的多功能器件，其特征在于，所述二维材料选自石墨烯或单层二硫化钼。
4.根据权利要求1所述的多功能器件，其特征在于，所述第一薄膜电极和第二薄膜电极之间的最短距离为5～30微米。
5.根据权利要求1所述的多功能器件，其特征在于，所述衬底的材质选自硅、氧化硅、玻璃或塑料。
6.根据权利要求5所述的多功能器件，其特征在于，所述塑料的成分选自聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二酯。
7.根据权利要求1所述的多功能器件，其特征在于，所述量子点胶体颗粒为导电量子点胶体颗粒。
8.根据权利要求7所述的多功能器件，其特征在于，所述导电量子点胶体颗粒为碳量子点胶体颗粒或金量子点胶体颗粒。
9.一种权利要求1所述的多功能器件的制备方法，包括：
在衬底表面制备互不接触的第一薄膜电极和第二薄膜电极；
采用外加电场通过量子点胶体颗粒溶液将所述第一薄膜电极和第二薄膜电极连通；
在所述第一薄膜电极和衬底表面设置第一金属电极；
在所述第二薄膜电极和衬底表面设置第二金属电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述外加电场为恒压电场。
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