CN111682087A - 一种二维材料极化激元增强的红外光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种二维材料极化激元增强的红外光探测器及其制备方法涉及红外探测器技术领域，解决了现有探测器难以实现极化激元在中、远红外领域应用的问题，包括基底、设置在基底上的介电层、设置在介电层上的具有极化激元特性的二维材料阵列、设置在二维材料阵列上的窄带隙二维半导体材料层和设置在窄带隙二维半导体材料层上的金属电极。制备方法为在介电层上制备二维材料阵列；在二维材料阵列上制备窄带隙二维半导体材料层；在窄带隙二维半导体材料层上制备金属电极。本发明利用二维材料阵列的极化激元提高探测器在中远红外波段响应，采用窄带隙二维材料层有效地感应二维材料阵列中极化激元的强局域场，并提取为电流信号读出，实现高响应的中远红外光探测。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种二维材料极化激元增强的红外光探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，基于金属等离极化激元的增强效应成为提高光探测器的探测性能的一种有效方式。金属纳米阵列表面的自由电子可以与特定波长的入射光耦合，由此产生的表面等离极化激元可以支持高度局域的电磁场(光场)，基于这种效应，将金属纳米阵列与半导体光探测材料结合，一方面，可以将电磁场的能量限制在很小的尺度内，增强近表面处的光场强度,从而增强半导体光探测材料的光吸收。另一方面，等离极化激元产生的“热电子”转移可以打破半导体光电探测材料响应波段受限于带隙的瓶颈，为拓宽光电探测的响应波段范围以及提高响应度提供了有效的手段。
传统的贵金属的局限在于工作波长范围太窄，有效工作的范围仅仅在可见光和近红外波段，而在中、远红外领域难以实现极化激元的有效应用，为了实现对中、远红外波段入射光的局域增强，很显然，选用传统的金属等离极化激元(激发波段在可见-近红外光)已经不适用，因此需求制备一种在中红外和远红外领域有效应用极化激元、具有更大有效工作范围的探测器。
发明内容
为了解决现有红外光探测器在中红外和远红外领域难以实现极化激元的有效应用的问题，本发明提供一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，并提供该红外光探测器的制备方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，包括：
基底；
设置在基底上的介电层；
设置在介电层上的具有极化激元特性的二维材料阵列；
设置在二维材料阵列上的窄带隙二维半导体材料层；
设置在窄带隙二维半导体材料层上的金属电极。
所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在介电层上制备二维材料阵列；
S2、在二维材料阵列上制备窄带隙二维半导体材料层；
S3、在窄带隙二维半导体材料层上制备金属电极。
本发明的有益效果是：
本发明的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器利用二维材料阵列的极化激元，在中红外波段和远红外波段的场局域特性作为增益方式来提高光探测器在中红外波段和远红外波段的响应。采用窄带隙二维材料层，有效地感应二维材料阵列中极化激元的强局域场，并提取为电流信号读出，实现高响应的中、远红外光探测。本发明的红外光探测器具有更加优异的中、远红外光探测性能，实现极化激元在中红外和远红外领域的有效应用。
本发明一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法的制备过程简单，通过该方法能够制备在中红外和远红外领域实现极化激元的有效应用的红外光探测器。
附图说明
图1为本发明的红外光探测器的一种结构示意图。
图2为本发明的红外光探测器的另一种结构示意图。
图3为本发明的制备方法的实施例一的S1.11对应的结构图。
图4为本发明的制备方法的实施例一的S1.12对应的结构图。
图5为本发明的制备方法的实施例一的S1.13对应的结构图。
图6为本发明的制备方法的实施例一的S2.11对应的结构图。
图7为本发明的制备方法的实施例一的S3.11对应的结构图。
图8为本发明的制备方法的实施例二的S1.21对应的结构图。
图9为本发明的制备方法的实施例二的S1.22对应的结构图。
图10为本发明的制备方法的实施例二的S1.23对应的结构图。
图11为本发明的制备方法的实施例二的S2.21对应的结构图。
图12为本发明的制备方法的实施例二的S2.22对应的结构图。
图13为本发明的制备方法的实施例二的S3.21对应的结构图。
图中：1、基底，2、介电层，3、二维材料阵列，4、中间介质层，5、窄带隙二维半导体材料层，6、金属电极，7、二维材料层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，如图1所示，包括基底1、介电层2、二维材料阵列3、窄带隙二维半导体材料层5和金属电极6。介电层2设置在基底1上；二维材料阵列3设置在介电层2上，二维材料阵列3为具有极化激元特性的二维材料，即具有极化激元特性的二维范德华材料，光照射二维材料阵列3时形成光子-自由电子或者光子-横光学横声子的耦合模式，即形成极化激元，因此二维材料阵列3具有极化激元特性。窄带隙二维半导体材料层5设置在二维材料阵列3上。金属电极6设置在窄带隙二维半导体材料层5上。
红外光探测器还包括中间介质层4，如图2所示，介电层2设置在基底1上；二维材料阵列3设置在介电层2上，中间介质层4设置在二维材料阵列3上，窄带隙二维半导体材料层5设置在中间介质层4上，金属电极6设置在窄带隙二维半导体材料层5上。
图1中，窄带隙二维半导体材料层5设置在二维材料阵列3上和介电层2上，位于基底1、介电层2和二维材料阵列3这一整体的上表面上，即窄带隙二维半导体材料层5填充二维材料阵列3的阵列空隙。图2中，中间介质层4设置在二维材料阵列3上和介电层2上，位于基底1、介电层2和二维材料阵列3这一整体的上表面上，即中间介质层4填充二维材料阵列3的阵列空隙。
基底1可以为硅基底1，对应的介电层2材料为二氧化硅或三氧化二铝。基底1材料还可以为塑料等柔性基底1，还可以为玻璃或石英等。具有极化激元特性的二维材料阵列3的材料可以为石墨烯、三氧化钼、氧化钒、黑磷或氮化硼等具有极化激元特性的二维材料。窄带隙二维半导体材料可以为石墨烯、黑磷、第十族过渡金属硫化物或二维外尔半金属等。
传统的贵金属的局限在于工作波长范围太窄，有效工作的范围仅仅在可见光和近红外波段，而在更长波长的中红外和远红外领域难以实现极化激元的有效应用。本发明一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其具有极化激元特性的二维材料阵列3对中红外和远红外波段入射光的局域增强，用二维材料阵列3的极化激元在中红外和远红外波段的场局域特性作为增益方式来提高红外探测器的中红外和远红外光探测性能，这些极化激元因为材料维度的限制表现出更强的场局域特性，同时也展现出与传统金属等离激元材料不一样的性质，二维范德华材料体系在中红外和远红外波段的响应更优于传统的金属极化激元材料。采用窄带隙二维材料层7，可以有效地感应二维材料阵列3中极化激元的强局域场，并提取为电流信号读出，实现高响应的中红外和远红外光探测。本发明一种二维材料极化激元增强的红外光探测器具有更加优异的中红外和远红外光探测性能，在中红外和远红外领域实现极化激元的有效应用。
一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在具有介电层2的基底1上制备二维材料阵列3；
具体为：准备具有介电层2的基底1，在介电层2上采用化学气相沉积法生长二维材料层7，或者，采用机械剥离方法得到待转移的二维材料层7并将待转移的二维材料层7转移到介电层2上，得到具有极化激元特性的二维材料层7后，采用电子束光刻工艺或采用聚焦离子束刻蚀工艺加工二维材料层7得到二维材料阵列3。
S2、在二维材料阵列3上制备窄带隙二维半导体材料层5；
具体过程为：通过机械剥离方法得到待转移的窄带隙二维半导体材料层5，再将待转移的窄带隙二维半导体材料层5转移到二维材料阵列3上，即为在二维材料阵列3上制备窄带隙二维半导体材料层5。也可以为采用机械剥离方法在二维材料阵列3上转移中间介质层4，采用机械剥离方法在中间介质层4上转移窄带隙二维半导体材料层5，则对应的制备得到的红外光探测器具有在中间介质层4时，。
S3、在窄带隙二维半导体材料层5上制备金属电极6；具体为采用采用光刻、电子束蒸发和剥离技术制备源电极和漏电极，得到红外探测器，制备完成。
下面列举四种实施例：
实施例一：
S1.11、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片(即具有SiO2介质层的硅基底1)，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片，如图3；S1.12、采用等离子增强的化学气相沉积法在SiO2介质层上直接生长高质量的石墨烯微单晶(即二维材料层7)，或采用机械剥离的方式将石墨烯微单晶从其他处剥离，得到待转移的石墨烯微单晶，将待转移的石墨烯微单晶转移到SiO2上，如图4，石墨烯微单晶为石墨烯薄膜；S1.13、采用电子束光刻的微纳加工工艺加工石墨烯薄膜形成石墨烯阵列(即二维材料阵列3)，如图5；S2.11、将黑磷通过机械剥离的方法转移到石墨烯阵列和SiO2介质层的上方，如图6，得到窄带隙二维半导体材料层5；S3.11、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在黑磷上制备源、漏电极，金属电极6制备完成，如图7，红外探测器制备完成。
实施例二：
S1.21、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片，如图8；S1.22、采用等离子增强的化学气相沉积法在SiO2上直接生长高质量的石墨烯微单晶(即二维材料层7)，或采用机械剥离的方式将石墨烯微单晶从其他处剥离，得到待转移的石墨烯微单晶，将待转移的石墨烯微单晶转移到SiO2上，如图9，石墨烯微单晶即为石墨烯薄膜；S1.23、电子束光刻微纳加工石墨烯薄膜形成石墨烯阵列，如图10；S2.21、采用机械剥离的方式将六方氮化硼层转移到石墨烯阵列的上方，如图11，六方氮化硼层作为中间介质层4，用于隔离石墨烯阵列与黑磷；S2.22、将黑磷通过机械剥离的方法转移到六方氮化硼层的上方如图12；S3.21、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术制备源、漏电极，如图13。
实施例三：
S1.31、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片；S1.32、采用机械剥离的方式将α相氧化钼晶体(即二维材料层7)转移到SiO2上，α相氧化钼晶体为α相氧化钼薄膜；S1.33、电子束光刻微纳加工α相氧化钼薄膜形成α相氧化钼阵列(即二维材料阵列3)；S2.31、将黑磷通过机械剥离的方法转移到α相氧化钼阵列和SiO2层的上方，得到窄带隙二维半导体材料层5；S3.31、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术制备源、漏电极，金属电极6制备完成。
实施例四：
S1.41、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片；S1.42、采用等化学气相沉积法在SiO2层上直接生长高质量的α相氧化钼晶体(即二维材料层7)；S1.43、采用聚焦离子束刻蚀的微纳加工工艺加工α相氧化钼薄膜形成α相氧化钼阵列；S2.41、采用机械剥离的方式将六方氮化硼层转移到石墨烯阵列的上方；六方氮化硼层作为中间介质层4，用于隔离α相氧化钼阵列与黑磷；S2.42、将黑磷通过机械剥离的方法转移到六方氮化硼层的上方；S3.41、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术制备源、漏电极，金属电极6制备完成，红外探测器制备完成。
本发明一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法的制备过程简单，通过该方法能够制备在中红外和远红外领域实现极化激元的有效应用的红外光探测器。
Claims (10)
1.一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其特征在于，包括：
基底(1)；
设置在基底(1)上的介电层(2)；
设置在介电层(2)上的具有极化激元特性的二维材料阵列(3)；
设置在二维材料阵列(3)上的窄带隙二维半导体材料层(5)；
设置在窄带隙二维半导体材料层(5)上的金属电极(6)。
2.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其特征在于，还包括中间介质层(4)，所述中间介质层(4)设置在二维材料阵列(3)上，窄带隙二维半导体材料层(5)设置在中间介质层(4)上。
3.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其特征在于，所述二维材料阵列(3)的材料为石墨烯、三氧化钼、氧化钒、黑磷或氮化硼。
4.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其特征在于，所述窄带隙二维半导体材料层(5)的材料为石墨烯、黑磷、第十族过渡金属硫化物或二维外尔半金属。
5.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器，其特征在于，所述基底(1)的材料为硅、玻璃、石英或塑料。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在介电层(2)上制备二维材料阵列(3)；
S2、在二维材料阵列(3)上制备窄带隙二维半导体材料层(5)；
S3、在窄带隙二维半导体材料层(5)上制备金属电极(6)。
7.如权利要求6所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述S1的具体过程为：在介电层(2)上制备具有极化激元特性的二维材料层(7)，采用电子束光刻工艺或采用聚焦离子束刻蚀工艺加工二维材料层(7)得到二维材料阵列(3)。
8.如权利要求7所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述二维材料层(7)的制备过程为：在具有介电层(2)的基底(1)上采用化学气相沉积法生长二维材料层(7)，或者，采用机械剥离方法得到待转移的二维材料层(7)并将待转移的二维材料层(7)转移到介电层(2)上。
9.如权利要求6所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述S2的具体过程为：在二维材料阵列(3)上制备中间介质层(4)，在中间介质层(4)上制备窄带隙二维半导体材料层(5)。
10.如权利要求6所述的一种二维材料极化激元增强的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述S2的具体过程为：通过机械剥离方法将窄带隙二维半导体材料层(5)转移到二维材料阵列(3)上。
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