CN112186063A - 双波段石墨烯探测装置、探测芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波段石墨烯探测装置、探测芯片及其制备方法，双波段石墨烯探测芯片，包括：从下至上依次层叠设置的第一硅层、第一量子点增强的石墨烯层、第一环氧树脂胶层、第二硅层、第二量子点增强的石墨烯层、第二环氧树脂胶层；第一量子点增强的石墨烯层适于探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，第二量子点增强的石墨烯层适于探测可见红外光、短波红外光或中波红外光。采用本发明，对于光束具有非常大的调整空间，而且第一量子点增强的石墨烯层与第二量子点增强的石墨烯层是间隔开的且相互独立，可以实现对不同波长信号的分别采集，并工作在室温下，且探测率和响应速度优异，能够满足复杂环境下的探测需求。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种双波段石墨烯探测装置、探测芯片及其制备方法。
背景技术
光学成像技术被广泛地应用于气象、资源遥感等需求中。对于一些复杂的应用环境，传统光电探测器无法满足探测需求。双波段的光学成像系统可对复杂的背景进行抑制，提高探测效果，在复杂的应用环境下能明显地降低误报率，显著地提高系统的性能和在各种应用平台上的通用性。
石墨烯层是近年来飞速发展的新型材料，其具有在室温下电子迁移率高、电阻率低、高透光性、光吸收电子接近零能耗、接近极限的光电转换速度等特点。将量子点溶液涂覆在石墨烯上可制备出量子点增强的石墨烯光探测器件，该器件具有响应速度快、探测率高等特点，可应用于大视场、微度光的情况下。
理论上来说，石墨烯的零带隙特性可以使之实现超宽光谱吸收和探测，但是由于石墨烯是二维材料，其第三维厚度极薄，导致吸光率低，探测器信号非常弱，不能满足探测需求。
在量子点增强的石墨烯器件中，石墨烯只负责传递电信号，吸收光信号并转变成电信号的任务由量子点完成。由于半导体量子点的吸收截面大，保证了极高的量子效率，加之光栅效应，可以实现信号增益，在室温下光响应率可达107AW-1。然而由于光信号的吸收主要来自量子点，其响应波段范围会受到量子点粒径尺寸的限制。目前的一些器件中将量子点的粒径尺寸分散在某一范围，以达到拓展器件响应波长范围的目的，但是这种方法会将所有量子点转换的电信号一并收集，无法将不同波长的信号区分开。
发明内容
本发明实施例提供一种双波段石墨烯探测装置、探测芯片及其制备方法，用以解决现有技术中石墨烯探测装置无法分别采集不同波长的信号的问题。
根据本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片，包括：从下至上依次层叠设置的第一硅层、第一量子点增强的石墨烯层、第一环氧树脂胶层、第二硅层、第二量子点增强的石墨烯层、第二环氧树脂胶层；
所述第一量子点增强的石墨烯层适于探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，所述第二量子点增强的石墨烯层适于探测可见红外光、短波红外光或中波红外光。
根据本发明的一些实施例，所述第一量子点增强的石墨烯层包括：
第一石墨烯层，层叠设置于所述第一硅层的上表面；
第一量子点胶体溶液层，涂覆于所述第一石墨烯层的上表面；
所述第二量子点增强的石墨烯层包括：
第二石墨烯层，层叠设置于所述第二硅层的上表面；
第二量子点胶体溶液层，涂覆于所述第二石墨烯层的上表面；
所述第一量子点胶体溶液层中的量子点的粒径与所述第二量子点胶体溶液层中的量子点的粒径尺寸不同。
根据本发明的一些实施例，所述第一量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe；
所述第二量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe；
量子点的粒径与待探测光的波长相关。
根据本发明的一些实施例，所述第二硅层的厚度大于等于0.5微米且小于等于1微米。
根据本发明实施例的双波段石墨烯探测装置，包括：
双波段石墨烯探测芯片，为根据如上所述的双波段石墨烯探测芯片；
读出电路，与所述双波段石墨烯探测芯片的电极组件电连接。
根据本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，包括：
在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层；
在所述第一量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第一环氧树胶层；
在所述第一环氧树胶层的上表面层叠设置第二硅层；
在所述第二硅层的上表面层叠设置第二量子点增强的石墨烯层；
在所述第二量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第二环氧树脂胶层。
根据本发明的一些实施例，所述在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层，包括：
在铜箔衬底上生长第一石墨烯层；
将所述第一石墨烯层层叠设置于所述第一硅层的上表面；
制备第一量子点胶体溶液，并将所述第一量子点胶体溶液涂覆于所述第一石墨烯层的上表面。
根据本发明的一些实施例，将所述第一石墨烯层层叠设置于第一硅层的上表面，包括：
在所述第一石墨烯层远离所述铜箔衬底的表面设置支撑膜；
去除所述铜箔衬底；
漂洗具有所述支撑膜的第一石墨烯层；
将漂洗后的第一石墨层远离所述支撑膜的一侧附着于所述第一硅层的上表面，并风干；
去除所述支撑膜。
根据本发明的一些实施例，所述去除所述铜箔衬底，包括：
采用过硫酸铵溶液或者氯化铁溶液腐蚀掉所述铜箔衬底；
所述支撑膜为有机聚合物，所述去除所述支撑膜，包括：
采用丙酮去除所述有机聚合物。
根据本发明的一些实施例，所述制备第一量子点胶体溶液，包括：
制备量子点胶体溶液，使用滤膜对所述量子点胶体溶液进行过滤处理，以获得所述第一量子点胶体溶液。
采用本发明实施例，通过第一量子点增强的石墨烯层可以探测中波红外光、长波红外光、甚长波红外光，通过第二量子点增强的石墨烯层可以探测可见红外光、短波红外光或中波红外光，从而使得双波段石墨烯探测芯片对于光束具有非常大的调整空间。而且第一量子点增强的石墨烯层与第二量子点增强的石墨烯层是间隔开的且相互独立，可以通过不同的电极连接至读出电路，以实现对不同波长信号的分别采集，而且双波段石墨烯探测芯片可工作在室温下，且探测率和响应速度优异，能够满足复杂环境下的探测需求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中双波段石墨烯探测芯片结构示意图；
图2是本发明实施例中双波段石墨烯探测芯片的制备方法流程图。
双波段石墨烯探测芯片1，
第一硅层10，第一量子点增强的石墨烯层20，第一环氧树脂胶层30，第二硅层11，第二量子点增强的石墨烯层21，第二环氧树脂胶层31，长波电极12，短波电极22，公共电极23。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，根据本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片1，包括：从下至上依次层叠设置的第一硅层10、第一量子点增强的石墨烯层20、第一环氧树脂胶层30、第二硅层11、第二量子点增强的石墨烯层21、第二环氧树脂胶层31；
第一量子点增强的石墨烯层20适于探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，第二量子点增强的石墨烯层21适于探测可见红外光、短波红外光或中波红外光。
采用本发明实施例，通过第一量子点增强的石墨烯层20可以探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，通过第二量子点增强的石墨烯层21可以探测可见红外光、短波红外光或中波红外光，从而使得双波段石墨烯探测芯片1对于光束具有非常大的调整空间。而且第一量子点增强的石墨烯层20与第二量子点增强的石墨烯层21是间隔开的且相互独立，可以通过不同的电极连接至读出电路，如中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光可以通过长波电极12和公共电极23引出，可见红外光、短波红外光或中波红外光可以通过短波电极22和公共电极23引出，以实现对不同波长信号的分别采集，而且双波段石墨烯探测芯片1可工作在室温下，且探测率和响应速度优异，能够满足复杂环境下的探测需求。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，第一量子点增强的石墨烯层20包括：
第一石墨烯层，层叠设置于所述第一硅层10的上表面；
第一量子点胶体溶液层，涂覆于所述第一石墨烯层的上表面；
第二量子点增强的石墨烯层21包括：
第二石墨烯层，层叠设置于所述第二硅层11的上表面；
第二量子点胶体溶液层，涂覆于所述第二石墨烯层的上表面；
第一量子点胶体溶液层中的量子点的粒径与第二量子点胶体溶液层中的量子点的粒径尺寸不同。
根据本发明的一些实施例，第一量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe；
第二量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe。量子点的粒径与待探测光的波长相关，量子点的粒径可以根据实际要探测的波长进行筛选。
根据本发明的一些实施例，第二硅层11的厚度大于等于0.5微米且小于等于1微米。
根据本发明实施例的双波段石墨烯探测装置，包括：
双波段石墨烯探测芯片，为根据如上所述的双波段石墨烯探测芯片1；
读出电路，与双波段石墨烯探测芯片的电极组件电连接。
电极组件包括长波电极12、短波电极22、以及公共电极23，如图1所示。
采用本发明实施例，通过第一量子点增强的石墨烯层20可以探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，通过第二量子点增强的石墨烯层21可以探测可见红外光、短波红外光或中波红外光，从而使得双波段石墨烯探测芯片1对于光束具有非常大的调整空间。而且第一量子点增强的石墨烯层20与第二量子点增强的石墨烯层21是间隔开的且相互独立，可以通过不同的电极连接至读出电路，如中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光可以通过长波电极12和公共电极23引出，可见红外光、短波红外光或中波红外光可以通过短波电极22和公共电极23引出，以实现对不同波长信号的分别采集，而且双波段石墨烯探测芯片1可工作在室温下，且探测率和响应速度优异，能够满足复杂环境下的探测需求。
如图2所示，根据本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，包括：
S1，在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层；
S2，在所述第一量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第一环氧树胶层；
S3，在所述第一环氧树胶层的上表面层叠设置第二硅层；
S4，在所述第二硅层的上表面层叠设置第二量子点增强的石墨烯层；
S5，在所述第二量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第二环氧树脂胶层。
采用本发明实施例，通过第一量子点增强的石墨烯层可以探测中波红外光、长波红外光、或甚长波红外光，通过第二量子点增强的石墨烯层可以探测可见红外光、短波红外光或中波红外光，从而使得双波段石墨烯探测芯片对于光束具有非常大的调整空间。而且第一量子点增强的石墨烯层与第二量子点增强的石墨烯层是间隔开的且相互独立，可以通过不同的电极连接至读出电路，以实现对不同波长信号的分别采集，而且双波段石墨烯探测芯片可工作在室温下，且探测率和响应速度优异，能够满足复杂环境下的探测需求。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，所述在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层，包括：
在铜箔衬底上生长第一石墨烯层；
将所述第一石墨烯层层叠设置于所述第一硅层的上表面；
制备第一量子点胶体溶液，并将所述第一量子点胶体溶液涂覆于所述第一石墨烯层的上表面。
根据本发明的一些实施例，将所述第一石墨烯层层叠设置于第一硅层的上表面，包括：
在所述第一石墨烯层远离所述铜箔衬底的表面设置支撑膜；
去除所述铜箔衬底；
漂洗具有所述支撑膜的第一石墨烯层；
将漂洗后的第一石墨层远离所述支撑膜的一侧附着于所述第一硅层的上表面，并风干；
去除所述支撑膜。
根据本发明的一些实施例，所述去除所述铜箔衬底，包括：
采用过硫酸铵溶液或者氯化铁溶液腐蚀掉所述铜箔衬底；
所述支撑膜为有机聚合物，所述去除所述支撑膜，包括：
采用丙酮去除所述有机聚合物。
根据本发明的一些实施例，所述制备第一量子点胶体溶液，包括：
制备量子点胶体溶液，使用滤膜对所述量子点胶体溶液进行过滤处理，以获得所述第一量子点胶体溶液。
下面以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片的制备方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明实施例的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，包括：
步骤A：使用化学气相沉积法在铜箔衬底上生长大面积石墨烯层，所述石墨烯层包括第一石墨烯层和第二石墨烯层；
步骤B：将第一石墨烯层转移到第一硅层上。
具体步骤包括：
步骤B1：在第一石墨烯层远离铜箔衬底的表面旋涂高分子有机聚合物，形成支撑膜；
步骤B2：使用过硫酸铵溶液或者氯化铁溶液腐蚀掉铜箔衬底，将剩下的支撑膜和第一石墨烯层漂洗干净后用平整的第一硅层捞出，风干后浸泡丙酮，将支撑膜除尽；
步骤C：制备量子点胶体溶液，并根据所需的第一探测波段和第二探测波段，使用滤膜对量子点胶体溶液进行过滤处理，分别筛选出两种所需的量子点粒径尺寸，以获得第一量子点胶体溶液和第二量子点胶体溶液，第一量子点胶体溶液对应第一探测波段，第二量子点胶体溶液对应第二探测波段。
量子点胶体选用的材料可以为PbS或PbSe。第一探测波段可为中波、长波、甚长波范围；第二探测波段可为可见光、短波、中波范围。
步骤D：将第一量子点胶体溶液均匀地涂覆于第一石墨烯层上进行功能化，得到第一量子点增强的石墨烯层；
步骤E：在第一量子点增强的石墨烯层的上表面涂覆环氧树脂胶，以在第一量子点增强的石墨烯层的上表面形成第一涂覆环氧树脂胶层，制备第二硅层并将第二硅层粘接在第一涂覆环氧树脂胶层的上表面。
第二硅层厚度为0.5μm～1μm。环氧树脂胶同时起到保护石墨烯层和粘接硅材料的作用。
步骤F：将第二石墨烯层转移到第二硅层的上表面(可以参考步骤B)，并将第二量子点胶体溶液均匀地涂覆于第二石墨烯层上进行功能化，得到第二量子点增强的石墨烯层，然后涂覆环氧树脂胶进行保护，以形成双波段石墨烯材料件。
在上述双波段石墨烯探测芯片的制备方法的基础上，可以制备双波段石墨烯探测装置，双波段石墨烯探测装置的制备方法，包括：
在上述步骤A-步骤F之后，
步骤G：设计掩膜版，使用光刻和干法刻蚀的方法在双波段石墨烯材料件表面制备器件结构图形，并使用电子束蒸发的方法制备电极组件，以形成双波段石墨烯芯片，电极组件包括公共电极、长波电极和短波电极，如图1所示；
步骤H：将双波段石墨烯芯片与读出电路互联，得到双波段石墨烯装置。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种双波段石墨烯探测芯片，其特征在于，包括：从下至上依次层叠设置的第一硅层、第一量子点增强的石墨烯层、第一环氧树脂胶层、第二硅层、第二量子点增强的石墨烯层、第二环氧树脂胶层；
所述第一量子点增强的石墨烯层适于探测中波红外光、长波红外光或甚长波红外光，所述第二量子点增强的石墨烯层适于探测可见光、短波红外光或中波红外光。
2.如权利要求1所述的双波段石墨烯探测芯片，其特征在于，所述第一量子点增强的石墨烯层包括：
第一石墨烯层，层叠设置于所述第一硅层的上表面；
第一量子点胶体溶液层，涂覆于所述第一石墨烯层的上表面；
所述第二量子点增强的石墨烯层包括：
第二石墨烯层，层叠设置于所述第二硅层的上表面；
第二量子点胶体溶液层，涂覆于所述第二石墨烯层的上表面；
所述第一量子点胶体溶液层中的量子点的粒径与所述第二量子点胶体溶液层中的量子点的粒径尺寸不同。
3.如权利要求2所述的双波段石墨烯探测芯片，其特征在于，所述第一量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe；
所述第二量子点胶体溶液层中的量子点为PbS或PbSe；
量子点的粒径与待探测光的波长相关。
4.如权利要求1所述的双波段石墨烯探测芯片，其特征在于，所述第二硅层的厚度大于等于0.5微米且小于等于1微米。
5.一种双波段石墨烯探测装置，其特征在于，包括：
双波段石墨烯探测芯片，为根据权利要求1-4中任一项所述的双波段石墨烯探测芯片；
读出电路，与所述双波段石墨烯探测芯片的电极组件电连接。
6.一种双波段石墨烯探测芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层；
在所述第一量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第一环氧树胶层；
在所述第一环氧树胶层的上表面层叠设置第二硅层；
在所述第二硅层的上表面层叠设置第二量子点增强的石墨烯层；
在所述第二量子点增强的石墨烯层的上表面层叠设置第二环氧树脂胶层。
7.如权利要求6所述的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，其特征在于，所述在第一硅层的上表面层叠设置第一量子点增强的石墨烯层，包括：
在铜箔衬底上生长第一石墨烯层；
将所述第一石墨烯层层叠设置于所述第一硅层的上表面；
制备第一量子点胶体溶液，并将所述第一量子点胶体溶液涂覆于所述第一石墨烯层的上表面。
8.如权利要求7所述的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，其特征在于，将所述第一石墨烯层层叠设置于第一硅层的上表面，包括：
在所述第一石墨烯层远离所述铜箔衬底的表面设置支撑膜；
去除所述铜箔衬底；
漂洗具有所述支撑膜的第一石墨烯层；
将漂洗后的第一石墨层远离所述支撑膜的一侧附着于所述第一硅层的上表面，并风干；
去除所述支撑膜。
9.如权利要求8所述的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，其特征在于，所述去除所述铜箔衬底，包括：
采用过硫酸铵溶液或者氯化铁溶液腐蚀掉所述铜箔衬底；
所述支撑膜为有机聚合物，所述去除所述支撑膜，包括：
采用丙酮去除所述有机聚合物。
10.如权利要求7所述的双波段石墨烯探测芯片的制备方法，其特征在于，所述制备第一量子点胶体溶液，包括：
制备量子点胶体溶液，使用滤膜对所述量子点胶体溶液进行过滤处理，以获得所述第一量子点胶体溶液。
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