CN111697091A - 一种高性能二维材料光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能二维材料光电探测器及其制备方法。该探测器使用二硫化锡应用在感光层，六方氮化硼应用在栅绝缘层，石墨烯应用在电极，具有吸收光照的范围更广，响应度和探测度更高，而且响应时间比较快。此外，使用机械转移法构建器件的过程比较简单，并可以直接在大气环境完成，器件的质量较高。本发明为新型光电探测器提供了一种新颖、高效的构建方案，为二维材料光电子器件、新型传感器器件的发展提供一条新的发展思路，具有深刻和广泛的研究意义和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型材料传感器领域，具体涉及一种高性能二维材料光电探测器及其制 备方法。
背景技术
光电探测器是将入射的光信号转换为电信号的一类器件，在环境检测、医学研究、电子器件等方面有着重要的应用。光电探测器的原理主要由光电效应或光热效应。传统的光 电探测器使用材料由硅等材料制成，硅元素在地壳中有着含量丰富和分布广泛的特点，并且 目前硅微纳制造技术也较为成熟。然而，硅的禁带宽度仅为1.1eV左右，导致其吸收光谱限 制于中红外波段之下。红外探测器在工业自动化控制、卫星遥感、导弹精确制导、红外成像 方面有着重要的应用。为了实现中红外和远红外探测，硅基材料必须与其他材料进行结合， 这大大增加了制造难度。硅光探测器的响度通常为1A/W的量级，其响应度也有待提高。
近年来，柔性光探测器出现的频率越来越高，在医疗保健和环境监控等方面有着较 大的需求。柔性探测器可以放置在不平整物体表面，并且可以随意改变其形状。然而，硅材 料质地较硬，容易断裂，不适合于柔性材料器件。因此，使用新的材料制造光电探测器成为 当下研究的热点。
二维材料是指在厚度方向为原子尺度，而在平面方向远大于原子尺度的一类材料。 这类层状材料的层内通过较强的化学键结合，所以比较稳定，层间是通过比较弱的范德瓦尔 斯力耦合，所以可以比较容易地逐层剥离或增加。二维材料的研究可以追溯到上个世纪六七 十年代，直到2004年，英国曼切斯特大学A.K.Geim小组利用Scotch胶带成功的制备出单 层石墨结构—石墨烯，并研究了其优越的电学性能，至此，二维材料的发展越来越快。二维 材料有着非常大的比表面积，非常适合探测器的应用，此外，该类材料机械性能好，可以制 备柔性器件。
二维材料家族中金属硫族化合物(MoS2，WS2，WS2，SnS2)具有比较特殊的性质， 作为半导体材料，它们的禁带宽度跨度范围大，因此可以吸收的光谱范围广。另外，它们的 禁带宽度会随层数的变化而变化，当为单层结构时，其通常由间接带隙变为直接带隙，并且其迁移率通常远高于传统的硅半导体材料。可调禁带宽度以及较高的载流子迁移率对制备高 性能的光电探测器件提供了可能。比如，二硫化锡(SnS2)的禁带宽度为2.2eV，因此所能吸收的光谱范围较大；SnS2的电子迁移率也比较高，因此具有比较快的响应速度。SnS2的 一系列特点使其比较适合用作于光电传感器上。
发明内容
为了克服硅基材料的光电传感器禁带宽度有限、响应度较低的问题，本发明提供了 一种高性能二维材料光电探测器及其制备方法，该光电探测器利用二维材料二硫化锡替代硅 作为感光层，并使用石墨烯作为导体材料，六方氮化硼作为绝缘层材料，能够最大限度发挥 二硫化锡的优越性能。此外，本发明直接使用叉指电极作为衬底，实验过程在大气环境下进 行，没有引入溶液、高温等实验条件，所以整体制备过程简单，杂质较少，最终光电探测器 不仅具有超高的响应度和灵敏度，还可以探测较宽的光照范围。
为解决先有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种高性能二维材料光电探测器，使用机械剥离法获取层数小于100层的二维材料、利用机 械转移法将二维材料构建成光电探测器结构、其中使用了SnS2作为光电探测器的核心材料， 所述SnS2具有可以调节的1.4eV-2.2eV能带结构。
利用机械剥离法从单晶上可以剥离少层甚至单层的二维材料，该方法获取的材料质 量高，引入的缺陷较少；利用机械转移法将获取的二维材料堆叠结合在一起形成有效的光电 探测器结构。该种方案操作简单，目的明确，而且所需设备较少。此外，个人可以根据需要， 改变材料种类和结构方案，以实现不同功能的器件。
上述高性能二维材料光电探测器的制备方法，先在叉指电极的上转移一块面积大于 120μm2的六方氮化硼(hBN)层，所述六方氮化硼覆盖在叉指电极上的氧化硅区域；在六方氮化硼层上转移二硫化锡层，所述二硫化锡层的面积占六方氮化硼层的70％，保证二硫化 锡层的下底面与六方氮化硼层完全接触；在二硫化锡层上转移第一石墨烯层作为石墨烯电极 1，所述第一石墨烯层一端与二硫化锡层的一侧交接，另一端与叉指电极的金电极1的表面 交接；再选用第二块石墨烯层作为石墨烯电极2，所述第二石墨烯层的一端放在二硫化锡层 的另一侧交接，另一端叉指电极表面的金电极2接触，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层在 二硫化锡层的表面上不相连。
有益效果：
与现有硅基光电探测器相比，本发明使用二硫化锡应用在感光层，吸收光照的范围更广，响 应度和探测度更高，而且响应时间比较快。另一方面，本器件在电学性能方面表现也相当优 异，拥有比较高的载流子迁移率和开关电流比，较低的阈值电压和亚阈值摆幅等。
此外，构建器件的过程比较简单，器件的质量较高。本发明为新型光电探测器提供了一种新颖、高效的构建方案，为二维材料光电子器件、新型传感器器件的发展提供一条新的发展思路，具有深刻和广泛的研究意义和应用前景。具体表现如下：
1、本发明使用机械剥离法获取的二维材料质量高；
2、本发明使用的转移系统搭建器件的方法操作简便、所需设备较少，过程可控。实验过程在大气环境下进行，不会引入杂质和缺陷等；
3、本发明使用二硫化锡作为感光材料，其禁带宽度较大，吸收光照范围广，且响应时间更短。
4、本发明利用六方氮化硼作为绝缘层，相比较传统的氧化层绝缘层，其会与二 硫化锡形成范德华异质结，该界面平滑，引入的缺陷较少，有利于器件的性能。
5、本发明使用石墨烯作为电极直接与二硫化锡接触，石墨烯与二硫化锡之间形成范德华异质结，形成的界面光滑，可以最大限度上保护二硫化锡的性能。
6、本发明使用叉指电极作为衬底，避免了在器件上制作电极的工艺，构建比较 简单，避免在反应过程中引入高温、强酸、强碱等环境对器件本生造成的破坏，最终形成的 器件比较干净。
附图说明
图1为一种高性能二维材料光电探测器的示意图，其中1-金电极1，2-金电极2，3-石墨烯电极1，4-六方氮化硼层，5-二硫化锡层，6-叉指电极，7-石墨烯电极2；
图2为一种高性能二维材料光电探测器的实物图；
图3为一种高性能二维材料光电探测器的构建过程图，其中1,2,3,4为转移过程的顺序；
图4为一种高性能二维材料光电探测器的拉曼光谱图；
图5为一种高性能二维材料光电探测器器的的AFM图像，其中(a)为mapping，图(b) 为对应的高度测量；
图6为该高性能二维材料光电探测器在532nm激光不同光照功率下的明暗电流；图7 为一种高性能二维材料光电探测器的响应时间，其中(a)为上升沿，(b)为下降沿；
图8为高性能二维材料光电探测器在不同波长下光照下的探测度和响应度，(a)为405nm， (b)为450nm，(c)为532nm，(d)不同波长激光下的响应度和探测度的比较。
图9为高性能二维材料光电探测器的转移特性曲线和阈值电压，(a)图为转移特性曲 线，分为线性和对数形式，(b)为阈值电压曲线，其中虚线和横坐标的交点即为阈值电压。
具体实施方式
实施例1
以下是结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明
图3为制造器件的整个过程，具体的步骤如下：
1、首先按照标准的硅片清洗工艺清洗叉指电极(所述叉指电极为通用的叉指电极，即由三层组成，由下而上依次是硅片、二氧化硅层、金电极1和金电极2)，即先用去离子水 和无水乙醇交替冲洗衬底表面三次，接着分别用去离子水超声清洗15分钟，最后，在去离 子水、双氧水和氨水的清洗液中(体积比为5：1：1)中清洗20分钟；
2、接下来，利用标准的机械剥离法从大块的单晶样品上，依次剥离少层(小于100层)的二硫化锡层、六方氮化硼层、第一石墨烯层和第二石墨烯层；
3、随后，将叉指电极固定到转移平台上，利用机械装置将一块六方氮化硼材料转移到叉指电极表面的两片金电极之间作为六方氮化硼层，如图3(1)所示；
4、紧接着，将一块面积略小于六方氮化硼的二硫化锡(约为六方氮化硼的70％)利用机械装置转移到六方氮化硼的表面作为二硫化锡层，如图3(2)所示；
5、接着将一块石墨烯材料通过转移装置与金电极1和二硫化锡层的表面交接作为石墨烯电极1，其中，石墨烯材料与二硫化锡接触形成异质结结构，另一端与金电极1接触，如 图3(3)所示；
6、最后，转移另一块石墨烯材料按照石墨烯电极1的方式，即一端与二硫化锡层层接触形成异质结结构，另一端与金电极2接触，即得石墨烯电极2，如图3(4)所示，所述第 一石墨烯层和第二石墨烯层在二硫化锡层的表面上不相连。成品的结构图如图1所示，实物 图如图2所示。
实施例2
以下是结合附图对本发明性能的进一步说明
图4为本器件中所使用SnS2材料的拉曼光谱，其特征峰A1g峰在315cm-1附近，符合相关文献中的报道。
图5为SnS2的AFM测量信息，其中(a)图为AFM mapping图，描述了SnS2边缘 轮廓，(b)图为高度信息，为36nm，约50层左右的SnS2。
图6为器件在532nm激光下，不同功率的表现，随着光功率的增加，光电流增益也不断增加。
图7为器件的响应时间，(a)图为光照打开时的上升时间，约为41ms，(b)图为光 照关闭时的响应时间，约为43ms。
图8为器件在不同波长光照下的响应度和探测度，其中(a)405nm，(b)450nm，(c)532nm。可以看出，我们器件在三个波长中都具有超高的响应度和探测度，(d)图为这三个不同波长响应度和探测度的直接比较。
图9为器件在不同的电学性能曲线，其中(a)为转移曲线，从转移曲线可以得到开关电流比最高达到105，并通过公式(1)可以计算载流子迁移率为112cm2/V·s。通过公式(2)，可以计算得亚阈值摆幅为0.65V/dec。
(b)图可以获取器件的阈值电压为0.6V。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单 变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种高性能二维材料光电探测器，其特征在于，使用机械剥离法获取层数小于100层的二维材料、利用机械转移法将二维材料构建成光电探测器结构、其中使用了SnS2作为光电探测器的核心材料，所述SnS2具有可以调节的1.4eV-2.2eV能带结构。
2.基于权利要求1所述的高性能二维材料光电探测器的制备方法，其特征在于，先在叉指电极的上转移一块面积大于120μm2的六方氮化硼层，所述六方氮化硼覆盖在叉指电极上的氧化硅区域；在六方氮化硼层上转移二硫化锡层，所述二硫化锡层的面积占六方氮化硼层的70％，保证二硫化锡层的下底面与六方氮化硼层完全接触；在二硫化锡层上转移第一石墨烯层作为石墨烯电极1，所述第一石墨烯层一端与二硫化锡层的一侧交接，另一端与叉指电极的金电极1的表面交接；再选用第二块石墨烯层作为石墨烯电极2，所述第二石墨烯层的一端放在二硫化锡层的另一侧交接，另一端叉指电极表面的金电极2接触，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层在二硫化锡层的表面上不相连。
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| CN202010285887.9A Pending CN111697091A (zh) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | 一种高性能二维材料光电探测器及其制备方法 |
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| CN (1) | CN111697091A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112909119A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-04 | 电子科技大学 | 一种室温下长波柔性红外探测器及其制备方法 |
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-
2020
- 2020-04-13 CN CN202010285887.9A patent/CN111697091A/zh active Pending
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