CN110993720A - 基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，包括基底、第一电极、第二电极、第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层，第一电极和第二电极间隔设置在基底的一侧表面，第一电极和第二电极之间形成沟道结构，第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层依次层叠设置在沟道结构内，第一电极和第二电极分别与第一石墨烯层和第二石墨烯层接触连接。本发明提供的光电探测器中设置有石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，可以实现宽波段响应，并且光电探测器的响应速度得到了显著提高，响应速度可以达到微秒级，有利于光电探测器的广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器领域，具体涉及一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是将光信号转换成电信号的装置。光电探测器用途广泛，涵盖军事和国民经济的各个领域，如在可见光和近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等。半导体光电探测器在光纤通信、红外遥感、测量和诊断仪器等领域广泛运用。常规的半导体光电探测器存在响应度低、响应时间慢、探测灵敏度低等问题。例如，基于硅，砷化镓，铟镓砷等半导体材料的传统光电探测器普遍存在响应波段窄，响应灵敏度不够高等问题。又如，二硫化钼光电探测器的响应速度为秒级，越来越无法满足工作需要。
因此，进一步开发具有快速光响应的光电探测器对其发展具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，通过在光电探测器中设置石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，显著提高光电探测器的响应速度，有利于其广泛应用。
第一方面，本发明提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，包括基底、第一电极、第二电极、第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层，所述第一电极和所述第二电极间隔设置在所述基底的一侧表面，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构，所述第一石墨烯层、所述黑磷薄膜层、所述二硫化钼层和所述第二石墨烯层依次层叠设置在所述沟道结构内，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层接触连接。
在本发明中，通过在光电探测器中设置石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，这种结构的器件能有效降低直接与金属电极接触的黑磷/二硫化钼异质结器件中黑磷、二硫化钼分别与金属电极之间存在的势垒，有利于器件中产生载流子的快速收集，同时本发明设计的垂直异质结结构极大地减小了器件的沟道长度(即“线宽”)，它的线宽为黑磷/二硫化钼异质结的厚度，以单层黑磷(厚度为～0.5nm)和单层二硫化钼(厚度为～0.6nm)为例，器件的线宽最小可以达到1.1nm，线宽的大小决定了探测器中光生载流子在形成光电流之前需要传输的距离，即决定了响应时间，因此本发明设计的光电探测器的响应速度非常快，同时利用石墨烯的宽波段光响应特性实现该异质结器件的宽波段响应。在本发明中，基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的响应速度为微秒级，甚至可以达到纳秒级或皮秒级。
在本发明中，所述基底可以为柔性基底，也可以为硬质基底。可选的，所述基底的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种，此时，基底为柔性基底，提高光电探测器的柔性，进一步拓宽光电探测器的应用范围，可以但不限于用于柔性电子领域等。具体的，可以但不限于为所述基底为硅基底、二氧化硅基底、聚对苯二甲酸乙二醇酯基底。在本发明中，对所述基底的尺寸不作限定，具体的可以根据实际需要进行选择。
在本发明中，所述光电探测器的响应速度不小于微秒级。进一步的，所述光电探测器的响应速度不小于纳秒级。更进一步的，所述光电探测器的响应速度为皮秒级。
可选的，所述第一电极和所述第二电极的材质包括金、银、铂、铜、铬和钛中的至少一种。在本发明中，所述第一电极和所述第二电极的材质可以相同，也可以不同，对此不作限定。
进一步的，所述第一电极和所述第二电极包括连接层和金属层，所述连接层与所述基底接触。更进一步的，所述连接层的材质包括铬和/或钛，所述金属层的材质包括金、银、铂和铜中的至少一种。在本发明中，连接层除了用于导电，还起到一定的连接作用，使得金属层与基底更好的粘附和连接，提高第一电极和第二电极与基底的结合力。具体的，可以但不限于为所述第一电极和所述第二电极均为铬层和金层层叠形成，所述铬层与所述基底接触，所述铬层的厚度为5nm-10nm，所述金层的厚度为20nm-100nm。
可选的，所述第一电极的厚度为25nm-110nm，所述第二电极的厚度为25nm-110nm。
可选的，所述第一电极和所述第二电极的间距为1μm-15μm。也就是说，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构在第一方向上的尺寸为1μm-15μm。
在本发明中，所述第一石墨烯层由单层石墨烯组成或多层石墨烯组成，所述黑磷薄膜层由单层黑磷组成或多层黑磷组成，所述二硫化钼层由单层二硫化钼组成或多层二硫化钼组成，所述第二石墨烯层由单层石墨烯组成或多层石墨烯组成。
可选的，所述第一石墨烯层的厚度为0.3nm-15nm，所述黑磷薄膜层的厚度为0.5nm-20nm，所述二硫化钼层的厚度为0.6nm-50nm，所述第二石墨烯层的厚度为0.3nm-15nm。
可选的，部分所述第一石墨烯层设置在所述第一电极表面，或所述第一石墨烯层设置在所述沟道结构内并与所述第一电极靠近所述第二电极的一端接触连接。也就是说，当部分所述第一石墨烯层设置在所述第一电极表面时，所述第一石墨烯层的部分是直接设置在所述第一电极的表面，即在垂直于所述基底表面的方向上，两者层叠连接，或当所述第一石墨烯层设置在所述沟道结构内并与所述第一电极靠近所述第二电极的一端接触连接时，即在平行于所述基底表面的方向上，所述第一电极和所述第一石墨烯层依次排布并接触连接。
可选的，部分所述第二石墨烯层设置在所述第二电极表面，或所述第二石墨烯层设置在所述沟道结构内并与所述第二电极靠近所述第一电极的一端接触连接。也就是说，当部分所述第二石墨烯层设置在所述第二电极表面时，所述第二石墨烯层的部分是直接设置在所述第二电极的表面，即在垂直于所述基底表面的方向上，两者层叠连接，或当所述第二石墨烯层设置在所述沟道结构内并与所述第二电极靠近所述第一电极的一端接触连接时，即在平行于所述基底表面的方向上，所述第二电极和所述第二石墨烯层依次排布并接触连接。
进一步的，部分所述第一石墨烯层设置在所述第一电极表面，部分所述第二石墨烯层设置在所述第二电极表面。
可选的，所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述黑磷薄膜层在所述基底上的正投影面积比为1：(0.2-5)。此时可以更好地使石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结发挥作用，提高光电探测器的响应速度。
可选的，所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述二硫化钼层在所述基底上的正投影面积比为1：(0.2-5)。此时可以更好地使石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结发挥作用，提高光电探测器的响应速度。
可选的，所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述黑磷薄膜层和所述二硫化钼层在所述基底上的正投影完全重叠，有利于提高快速响应。
在本发明中，所述第一石墨烯层、所述黑磷薄膜层、所述二硫化钼层和所述第二石墨烯层之间通过范德华力连接，形成范德华力异质结，使得光电探测器整体结构稳定。
可选的，所述光电探测器还包括自修复电极，所述自修复电极设置在所述第一电极和/或所述第二电极的表面。
在本发明中，光电探测器还包括自修复电极，所述自修复电极设置在所述第一电极和/或所述第二电极的表面，用于在所述第一电极和/或所述第二电极出现细小裂痕、裂缝时，可以对出现细小裂痕、裂缝进行修复，避免出现的裂痕、裂缝对光电探测器的工作产生影响，进而实现自修复过程，提高了光电探测器的使用寿命。
进一步的，所述自修复电极包括电极基体和自修复层，所述自修复层设置在所述电极基体靠近所述第一电极和/或所述第二电极的一侧表面。
更进一步的，所述自修复层的材质包括聚氨酯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酰亚胺、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙烯醇及其衍生物中的至少一种。
本发明提供的基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器能够实现宽波段的光响应，并且光电探测器的响应速度得到了显著提高，响应速度可以达到微秒级，灵敏度高，拓宽其应用范围。
第二方面，本发明提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法，包括：
提供基底，在所述基底一侧表面沉积电极材料，形成间隔设置的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构；
将第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次层叠设置在所述沟道结构内，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜接触连接，得到基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器。
在本发明中，可以但不限于为所述第一石墨烯薄膜、所述黑磷薄膜和所述二硫化钼薄膜和所述第二石墨烯薄膜通过剥离法制备得到。
可选的，所述制备方法还包括：
将自修复材料涂覆在所述第一电极和/或所述第二电极的表面，形成自修复层；在所述自修复层上沉积电极材料，形成自修复电极。
本发明提供的基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法简单易操作，可以制得快速响应的光电探测器。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，通过在光电探测器中设置石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，实现宽波段的光响应，并且光电探测器的响应速度得到了显著提高，响应速度可以达到微秒级，灵敏度高，拓宽其应用范围。本发明还提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法，该方法简单易操作，可以快速响应的光电探测器。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法流程图。
图3为本发明实施例1提供的光电探测器的光电响应测试结果图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
请参照图1，为本发明一实施例提供了一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，包括基底10、第一电极20、第二电极30、第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70，第一电极20和第二电极30间隔设置在基底10的一侧表面，第一电极20和第二电极30之间形成沟道结构，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70依次层叠设置在沟道结构内，第一电极20和第二电极30分别与第一石墨烯层40和第二石墨烯层70接触连接。
在本发明中，在光电探测器中设置石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，这种结构的器件能有效降低直接与金属电极接触的黑磷/二硫化钼异质结器件中黑磷、二硫化钼分别与金属电极之间存在的势垒，有利于器件中产生载流子的快速收集，进而使得光电探测器的响应速度显著提高，同时利用石墨烯的宽波段光响应特性实现该异质结器件的宽波段响应。在本发明中，基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的响应速度为微秒级。
在本发明中，基底10可以为柔性基底，也可以为硬质基底。在本发明一实施方式中，基底10的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种，此时，基底10为柔性基底，提高光电探测器的柔性，进一步拓宽光电探测器的应用范围，可以但不限于用于柔性电子领域等。具体的，可以但不限于为基底10为硅基底、二氧化硅基底、聚对苯二甲酸乙二醇酯基底。在本发明中，对基底10的尺寸不作限定，具体的可以根据实际需要进行选择。可选的，基底10的厚度为100μm-1000μm。进一步的，基底10的厚度为300μm-800μm。
在本发明一实施方式中，第一电极20和第二电极30的材质包括金、银、铂、铜、铬和钛中的至少一种。在本发明中，第一电极20和第二电极30的材质可以相同，也可以不同，对此不作限定。进一步的，第一电极20和第二电极30包括连接层和金属层，连接层与基底10接触。更进一步的，连接层的材质包括铬和/或钛，金属层的材质包括金、银、铂和铜中的至少一种。在本发明中，连接层除了用于导电，还起到一定的连接作用，使得金属层与基底10更好的粘附和连接，提高第一电极20和第二电极30与基底10的结合力。可选的，连接层的厚度为5nm-10nm，金属层的厚度为20nm-100nm。进一步的，连接层的厚度为7nm-9nm，金属层的厚度为23nm-80nm。在本发明一具体实施例中，第一电极20和第二电极30均为铬层和金层层叠形成，铬层与基底10接触，铬层的厚度为5nm-10nm，金层的厚度为20nm-100nm。
在本发明一实施方式中，第一电极20的厚度为25nm-110nm，第二电极30的厚度为25nm-110nm。进一步的，第一电极20的厚度为30nm-80nm，第二电极30的厚度为30nm-80nm。
在本发明一实施方式中，第一电极20和第二电极30的间距为1μm-15μm。也就是说，第一电极20和第二电极30之间形成沟道结构在第一方向上的尺寸为1μm-15μm。
在本发明中，第一电极20和第二电极30分别与第一石墨烯层40和第二石墨烯层70接触连接，第一电极和第二电极可以作为源漏极。
在本发明中，第一石墨烯层40由单层石墨烯组成或多层石墨烯组成，黑磷薄膜层50由单层黑磷组成或多层黑磷组成，二硫化钼层60由单层二硫化钼组成或多层二硫化钼组成，第二石墨烯层70由单层石墨烯组成或多层石墨烯组成。
在本发明一实施方式中，第一石墨烯层40的厚度为0.3nm-15nm，黑磷薄膜层50的厚度为0.5nm-20nm，二硫化钼层60的厚度为0.6nm-50nm，第二石墨烯层70的厚度为0.3nm-15nm，提高光电探测器的响应速度。进一步的，第一石墨烯层40的厚度为0.3nm-10nm，黑磷薄膜层50的厚度为0.5nm-15nm，二硫化钼层60的厚度为0.6nm-25nm，第二石墨烯层70的厚度为0.3nm-10nm，进一步提高光电探测器的响应速度。
在本发明一实施例中，第一石墨烯层40的厚度小于1.5nm，黑磷薄膜层50的厚度小于2nm，二硫化钼层60的厚度小于1.5nm，第二石墨烯层70的厚度小于1.5nm时，所述光电探测器的响应速度可达皮秒级。具体的，可以但不限于为第一石墨烯层40的厚度为0.3nm，黑磷薄膜层50的厚度为0.5nm，二硫化钼层60的厚度为0.6nm，第二石墨烯层70的厚度为0.3nm时，所述光电探测器的响应速度达皮秒级。
在本发明中，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70依次层叠设置在沟道结构内，第一电极20和第二电极30分别与第一石墨烯层40和第二石墨烯层70接触连接。在本发明一具体实施例中，第一电极20与第一石墨烯层40接触连接，与二硫化钼层60和第二石墨烯层70不直接接触连接，第二电极30与第二石墨烯层70接触连接，与第一石墨烯层40和二硫化钼层60不直接接触连接，实现快速响应的光电探测。
在本发明一实施方式中，部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面，或第一石墨烯层40设置在沟道结构内并与第一电极20靠近第二电极30的一端接触连接。也就是说，当部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面时，第一石墨烯层40的部分是直接设置在第一电极20的表面，即在垂直于基底10表面的方向上，两者层叠连接，或当第一石墨烯层40设置在沟道结构内并与第一电极20靠近第二电极30的一端接触连接时，即在平行于基底10表面的方向上，第一电极20和第一石墨烯层40依次排布并接触连接。
在本发明一实施方式中，部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面，或第二石墨烯层70设置在沟道结构内并与第二电极30靠近第一电极20的一端接触连接。也就是说，当部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面时，第二石墨烯层70的部分是直接设置在第二电极30的表面，即在垂直于基底10表面的方向上，两者层叠连接，或当第二石墨烯层70设置在沟道结构内并与第二电极30靠近第一电极20的一端接触连接时，即在平行于基底10表面的方向上，第二电极30和第二石墨烯层70依次排布并接触连接。
在本发明一具体实施例中，如图1所示，部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面，部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面，第一石墨烯层40与第一电极20表面的接触面积大，第二石墨烯层70与第二电极30表面的接触面积大，更有利于提高光电探测器的响应性。可选的，第一电极20、第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50和二硫化钼层60的总厚度等于第二电极30层的厚度，进而提高整体结构的稳定性。可选的，第一石墨烯层40在第一电极20表面的正投影占第一电极20表面面积的10％-40％，第二石墨烯层70在第二电极30表面的正投影占第二电极30表面面积的10％-40％，进一步提高光电探测器的快速响应。在本发明一实施例中，部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面，部分第一石墨烯层40与基底10接触，部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面。此时，第一石墨烯层40表面与基底10表面不平行，为倾斜设置，第一电极20的厚度为纳米级，第一石墨烯层40的长度为微米级，第一石墨烯层40的倾斜程度可以忽略。在本发明另一实施例中，部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面，部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面，部分第二石墨烯层70与基底10接触。此时，第二石墨烯层70表面与基底10表面不平行，为倾斜设置，第二电极30的厚度为纳米级，第二石墨烯层70的长度为微米级，第二石墨烯层70的倾斜程度可以忽略。
在本发明一具体实施例中，当第一石墨烯层40设置在沟道结构内并与第一电极20靠近第二电极30的一端接触连接时，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50和二硫化钼层60的总厚度等于第二电极30层的厚度，部分第二石墨烯层70设置在第二电极30表面，进而提高整体结构的稳定性。
在本发明一具体实施例中，当第二石墨烯层70设置在沟道结构内并与第二电极30靠近第一电极20的一端接触连接时，黑磷薄膜层50、第二石墨烯层70和二硫化钼层60的总厚度等于第一电极20层的厚度，部分第一石墨烯层40设置在第一电极20表面，进而提高整体结构的稳定性。
在本发明中，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70依次层叠设置在沟道结构内，包括第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70依次层叠后设置在沟道结构内，其中，第一石墨烯层40比黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70更靠近基底10，或第二石墨烯层70比第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50和二硫化钼层60更靠近基底10。
在本发明一实施方式中，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与黑磷薄膜层50在基底10上的正投影面积比为1：(0.2-5)。此时可以更好地使石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结发挥作用，实现快速光响应探测。进一步的，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与黑磷薄膜层50在基底10上的正投影面积比为1：(1-3)。更进一步的，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与黑磷薄膜层50在基底10上的正投影面积比为1：(1-1.5)，更有利于光电探测，同时降低暗电流，并节省石墨烯材料。在本发明一具体实施例中，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与黑磷薄膜层50在基底10上的正投影面积比为1：1。
在本发明一实施方式中，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与二硫化钼层60在基底10上的正投影面积比为1：(0.2-5)。此时可以更好地使石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结发挥作用，实现快速光响应探测。进一步的，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与二硫化钼层60在基底10上的正投影面积比为1：(1-3)。更进一步的，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与二硫化钼层60在基底10上的正投影面积比为1：(1-1.5)，更有利于光电探测，同时降低暗电流，并节省石墨烯材料。在本发明一具体实施例中，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与二硫化钼层60在基底10上的正投影面积比为1：1。
在本发明一实施方式中，第一石墨烯层40在基底10上的正投影与第二石墨烯层70在基底10上的正投影的重合区域，与黑磷薄膜层50和二硫化钼层60在基底10上的正投影完全重叠，提高快速响应。
在本发明中，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70之间通过范德华力连接，形成范德华力异质结，使得光电探测器整体结构稳定。
在本发明中，沟道结构包括第一电极10和第二电极20之间的区域，也包括该区域上方的空间。也就是说，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70可以层叠设置在第一电极10和第二电极20之间的区域，也可以设置在第一电极10和第二电极20之间的区域的上方。在本发明一实施例中，第一石墨烯层40、黑磷薄膜层50、二硫化钼层60和第二石墨烯层70层叠设置在第一电极10和第二电极20之间的区域。
在本发明一实施方式中，光电探测器还包括自修复电极，自修复电极设置在第一电极20和/或第二电极30的表面。在本发明中，自修复电极设置在第一电极20和/或第二电极30的表面，用于在第一电极20和/或第二电极30出现细小裂痕、裂缝时，可以对出现细小裂痕、裂缝进行修复，避免出现的裂痕、裂缝对光电探测器的工作产生影响，进而实现自修复过程，提高了光电探测器的使用寿命。
在本发明一实施方式中，自修复电极包括电极基体和自修复层，自修复层设置在电极基体靠近第一电极和/或第二电极的一侧表面。在本发明一实施例中，电极基体一表面全部设置有自修复层。在本发明另一实施例中，电极基体一表面部分设置有自修复层。可选的，自修复层在电极基体表面的正投影占电极基体表面面积的20％-70％。可选的，自修复层的材质包括聚氨酯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酰亚胺、聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙烯醇及其衍生物中的至少一种。具体的，自修复层的材质可以但不限于为长链羰基化改性的聚氨酯。可选的，电极基体的材质包括金、银、铂、铜、铬和钛中的至少一种。进一步的，电极基体包括电极连接层和电极金属层，电极连接层与自修复层接触。更进一步的，电极连接层的材质包括铬和/或钛，电极金属层的材质包括金、银、铂和铜中的至少一种。在本发明中，电极连接层除了用于导电，还起到一定的连接作用，使得电极金属层与自修复层更好的粘附和连接，提高电极基体与自修复层的结合力。具体的，可以但不限于为电极基体为铬层和金层层叠形成。
请参阅图2，为本发明一实施例提供的一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法流程图，包括：
S110：提供基底，在所述基底一侧表面沉积电极材料，形成间隔设置的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构。
在S110中，电极材料包括金、银、铂、铜、铬和钛中的至少一种。在本发明中，第一电极和第二电极的材质可以相同，也可以不同，对此不作限定。可选的，通过蒸镀、溅射或离子镀方式沉积电极材料。具体的，可以但不限于为，将基底粘贴在带有电极图案的精密硅基掩膜版上，然后一起放入电子束蒸发仪中蒸镀电极材料，得到带有空白电极图案的基底。其中，基底、第一电极和第二电极的选择如上所述，在此不再赘述。
S120：将第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次层叠设置在所述沟道结构内，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜接触连接，得到基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器。
在S120中，基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器包括基底、第一电极、第二电极、第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层，第一电极和第二电极间隔设置在基底的一侧表面，第一电极和第二电极之间形成沟道结构，第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层依次层叠设置在沟道结构内，第一电极和第二电极分别与第一石墨烯层和第二石墨烯层接触连接。其中，第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次对应于第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层，第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层的选择如上所述，在此不再赘述。在本发明中，可以但不限于为第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜通过剥离法制备得到。
在本发明一实施方式中，制备方法还包括：将自修复材料涂覆在第一电极和/或第二电极的表面，形成自修复层；在自修复层上沉积电极材料，形成自修复电极。其中，该制备过程可以在形成第一电极和第二电极后进行，也可以在形成第一石墨烯层、二硫化钼层和第二石墨烯层中至少一层后进行，对此不作限定。
本发明提供的基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，通过在光电探测器中设置石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，解决现有光电探测器响应速度慢的问题，实现宽波段的光响应，并且光电探测器的响应速度得到了显著提高，响应速度可以达到微秒级，灵敏度高，拓宽其应用范围。本发明提供的基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法简单易操作，可以实现快速响应的光电探测器。
实施例1
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底裁剪切成1×1cm2大小，将设计好电极形状的硅基掩模版固定在该PET基底上，通过热蒸镀的方法先后蒸镀铬层和金层，其中铬层的厚度为5nm，金层的厚度为40nm，最后将PET基底取出，即得到具有间隔设置的第一电极和第二电极的柔性PET基底，第一电极和第二电极的厚度为45nm，第一电极和第二电极之间形成沟道结构。
利用scotch胶带剥离石墨烯，并将其粘贴到PDMS薄膜上，随后在二维材料定点转移平台将石墨烯薄膜转移到柔性PET基底上，石墨烯薄膜的厚度为10nm。类似的，利用scotch胶带剥离黑磷薄膜和二硫化钼薄膜，并依次转移至柔性PET基底上，黑磷薄膜的厚度为10nm，二硫化钼薄膜的厚度为25nm，第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次层叠设置在沟道结构内，得到石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，部分第一石墨烯薄膜设置在第一电极表面，部分第二石墨烯薄膜设置在第二电极表面，即制得基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器。
实施例2
将聚二甲基硅氧烷基底粘贴在带有电极图案的精密硅基掩膜版上，然后一起放入电子束蒸发仪中分别蒸镀钛层和铜层，最后将聚二甲基硅氧烷基底取出，即得到具有间隔设置的第一电极和第二电极的聚二甲基硅氧烷基底，第一电极和第二电极的厚度为60nm，第一电极和第二电极之间形成沟道结构。
将第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜转移到聚二甲基硅氧烷基底上，第一石墨烯薄膜的厚度为8nm，黑磷薄膜的厚度为13nm，二硫化钼薄膜的厚度为20nm，第二石墨烯薄膜的厚度为12nm，第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次层叠设置在沟道结构内，得到石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结，第一电极和第二电极分别与第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜接触连接，即制得基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器。
效果实施例
将实施例1制得的光电探测器放置在半导体特性分析仪配套的探针平台上，通过配套的CCD成像系统找到柔性基底上器件的准确位置。选取探针台配套的两个探针分别接触到器件的第一电极和第二电极上。引入655nm激光，垂直照射在光电探测器。打开半导体特性分析仪测试软件，其中设置作为漏极探针选择电压偏压模式，固定偏压为1V，另一金属探针作为源极，设置其电压为0V。设定特定的激光功率，通过调节斩波器的频率控制无光照/有光照的时长，测试光探测器在黑暗/有光条件下的电流变化，即光开关，确保器件存在光响应。将器件接入含有示波器的电路中，通过示波器读取的信号得到该器件的光响应时间。调节斩波器的频率，读出示波器的平均上升沿时间，即该光探测器对光的响应时间，结果如图3所示。测试条件为655nm波长激光，激光功率为160mW，设置稳压源Vi＝2V，斩波器频率100Hz，由图中可以看出电压信号的平均上升沿时间为906.8μs，光响应时间性质显著提高，达到微秒级。因此，本发明提供的基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器可以明显提高光电探测器的响应速度，实现微秒级响应。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器，其特征在于，包括基底、第一电极、第二电极、第一石墨烯层、黑磷薄膜层、二硫化钼层和第二石墨烯层，所述第一电极和所述第二电极间隔设置在所述基底的一侧表面，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构，所述第一石墨烯层、所述黑磷薄膜层、所述二硫化钼层和所述第二石墨烯层依次层叠设置在所述沟道结构内，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层接触连接。
2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一石墨烯层的厚度为0.3nm-15nm，所述黑磷薄膜层的厚度为0.5nm-20nm，所述二硫化钼层的厚度为0.6nm-50nm，所述第二石墨烯层的厚度为0.3nm-15nm。
3.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述黑磷薄膜层在所述基底上的正投影面积比为1：(0.2-5)；所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述二硫化钼层在所述基底上的正投影面积比为1：(0.2-5)。
4.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一石墨烯层在所述基底上的正投影与所述第二石墨烯层在所述基底上的正投影的重合区域，与所述黑磷薄膜层和所述二硫化钼层在所述基底上的正投影完全重叠。
5.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述基底的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
6.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材质包括金、银、铂、铜、铬和钛中的至少一种。
7.如权利要求6所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为铬层和金层层叠形成，所述铬层与所述基底接触，所述铬层的厚度为5nm-10nm，所述金层的厚度为20nm-100nm。
8.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，部分所述第一石墨烯层设置在所述第一电极表面，部分所述第二石墨烯层设置在所述第二电极表面。
9.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括自修复电极，所述自修复电极设置在所述第一电极和/或所述第二电极的表面，所述自修复电极包括电极基体和自修复层，所述自修复层设置在所述电极基体靠近所述第一电极和/或所述第二电极的一侧表面。
10.一种基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供基底，在所述基底一侧表面沉积电极材料，形成间隔设置的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极之间形成沟道结构；
将第一石墨烯薄膜、黑磷薄膜、二硫化钼薄膜和第二石墨烯薄膜依次层叠设置在所述沟道结构内，所述第一电极和所述第二电极分别与所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜接触连接，得到基于石墨烯/黑磷/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器。
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