CN112563400A - 一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热电探测器及其制备方法，涉及基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器领域，包括碲化铋热电转换层以及一个设置于所述热电转换层上的光热转换层，所述光热转换层的材料为二硒化铂，所述光热转换层的面积小于所述热电转换层的面积，所述光热转换层上有第一电极，所述热电转换层上有第二电极，所述光热转换层经过光照升温，与热电转换层形成温度梯度，沿厚度方向产生电势差。解决了现有半导体光探测器难兼顾宽波段与高响应度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光热电探测器及其制备方法，特别是一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器。
背景技术
在光电子信息领域中，光信息的利用是最重要的组成部分之一，而光电探测器是利用光电信息的基础。光探测器是一种将光信号转变为电信号输出的器件，在国防军事和民用领域都有非常广泛的应用，包括光度计量、光通信、红外成像、遥感、环境监测、光谱分析、天文探测等。传统硅基、锗基、碲镉汞基等探测器面临器件体积大、集成度受限等无法克服的问题。随着对于光探测器的性能和集成度的越来越高的要求，其使用的材料，如传统半导体硅、Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族材料等，亟需在探测覆盖波长、室温光电响应、器件尺寸等方面获得突破。
二维材料具有原子级厚度，良好的光学性质、电学性质、热学性质以及机械特性，通过控制材料的厚度可以调控材料的特性，极大的增加了二维材料在各种光电器件中的应用，提高了器件性能。相比于传统光探测材料，二维材料主要优势包括：极限沟道厚度、超平表面、高迁移率、栅压调控能力强，不存在晶格适配问题等。石墨烯因其独特的零带隙而适用于超宽波段光电探测器（紫外到远红外区），但是其光吸收率低，光生载流子寿命短，故其光响应率较低，只有几十mA/W，离实际应用需求的性能差距太大。如MoS2和WSe2等过渡金属硫族化合物的光响应率较高，但其带隙较大（1.2-1.8 eV），故探测范围较窄，仅限于可见光波段，并且低的载流子迁移率致使响应速度较慢。黑磷具有0.3-2eV的可调带隙、较高的载流子迁移率和面内各向异性，弥补了石墨烯与TMDs之间的带隙空白，能够覆盖紫外-可见光-近红外的较宽波段，但是黑磷的可控制备和稳定性较差。因此，需要寻找一种兼具高响应率及宽波段的新型二维原子晶体体系材料来满足光探测器突破发展的要求。
光热电探测器是基于光热转换和热电转换两个物理过程，可实现长波红外和太赫兹室温探测的无源器件。传统的光热电探测器利用热吸收层吸收光，产生热量，进而在热电堆两侧产生温差，从而产生电压，实现光探测。但是这类器件制备工艺复杂，价格昂贵且相应灵敏度低，应用场景非常受限。由于二维材料的快速发展，基于光热电效应的二维材料光探测器已经有部分报道，但是受限于材料本身性质和饱和效应，这类光电探测器的应用同样受限于低功率的光探测。
在众多二维材料中，二维二硒化铂具有可调带隙（0-1.6eV）、与黑磷相当的高载流子迁移率和优异的稳定性，能够有效弥补了石墨烯和过渡金属硫族化合物存在的零带隙和带隙过大、黑磷的稳定性差的问题，有潜力开发超宽波段相应且稳定性好的高性能光探测器。碲化铋是目前商用性能最好的室温热电材料，在室温下的塞贝克系数高达数百微伏，对温度的响应非常明显。基于二维二硒化铂碲化铋材料的光热电探测器具有自供电、非制冷、响应波长范围宽等优点，在光探测、红外热成像、温度监测等领域具有重要的应用前景。
因此，需要一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器。
发明内容
本发明提供了一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器及其制备方法，解决了现有半导体光探测器难兼顾宽波段与高响应度的问题。
本发明采用如下技术方案:一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，包括：
碲化铋热电转换层以及一个设置于热电转换层上的光热转换层，光热转换层的材料为二硒化铂，光热转换层的面积小于热电转换层的面积，光热转换层上有第一电极，热电转换层上有第二电极，光热转换层经过光照升温，与热电转换层形成温度梯度，沿厚度方向产生电势差。
进一步地，还包括绝热绝缘层，绝热绝缘层贴合在热电转换层下。
进一步地，还包括基底层，基底层贴合在绝热绝缘层下。
进一步地，绝热绝缘层是二氧化硅或氮化硅。
进一步地，基底层是硅基底或聚亚酰胺基底。
进一步地，第一电极和第二电极的材料为导电的金属，金属为金，银，铜、铝或铂。
进一步地，第一电极和第二电极的材料为导电的薄膜材料，薄膜材料为石墨烯。
优选地，第一电极的材料为铂，第二电极的材料为金。
一种制备基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的方法：
1）基底准备：将Si的基底清洗干净，并用氮气吹干；
2）在基底上沉积一层绝热绝缘层，绝热绝缘层为SiO2或SiN，厚度200-300nm；
3）沉积Bi2Te3薄膜，厚度为50-200 nm；
4）制备PtSe2薄膜：
①旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性曝光；
②显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀在样品表面沉积一层Pt薄膜，厚度为5nm至50nm；
④剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的Pt薄膜；
⑤对沉积的Pt薄膜进行硒化，从而得到二硒化铂薄膜；
5）在Bi2Te3上沉积电极：
①旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性曝光；
②显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层金属薄膜电极，厚度为20nm至200nm；
④剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到Bi2Te3上的电极；
6）在PtSe2上沉积电极：
①旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性在被PtSe2覆盖的区域曝光；
②显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层金属薄膜电极，厚度为20nm至200nm；
④剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到PtSe2上的电极。
与现有技术相比，本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的有益效果在于：
（1）PtSe2本身具有光热效应和优异的导电性，可以同时作为光热敏感材料和电极材料，不需要使用额外的光热材料构建温度梯度；
（2）器件结构简单，材料制备条件温和、适合大面积制备；
（3）器件响应光谱范围不受限于沟道材料的能带带隙宽度。
附图说明
图1是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的结构示意图；
图2是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的制备方法的流程图；
图3是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的红外热像仪图；
图4是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的第一电极与第二电极的温差-电压图；
图5是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的实施例二的第一电极与第二电极的电压随激光功率变化图；
图6是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的实施例二的第一电极与第二电极的电压随聚亚酰胺基板弯曲角度变化图；
其中：1：基底层，2：绝热绝缘层，3：热电转换层，4：光热转换层，5：第二电极，6：第一电极。
具体实施方式
下面结合附图详细说明具体实施步骤如下：
实施例一
如图1所示，是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器及其制备方法的一个实施案例。如图2所示，采用如下方法制备得到：
1）基底准备：将Si的基底使用丙酮、双氧水等超声振荡清洗干净，并用氮气吹干以备后用；
2）在基底上沉积一层绝热绝缘层，可选材料为SiO2，厚度200nm；
3）沉积Bi2Te3薄膜：将上面步骤得到的干净的基底预热到350-400摄氏度，采用磁控溅射的方法在基底上沉积一层Bi2Te3，溅射的参数是：气压，4.0-4.5Pa，1小时室温溅射时间，溅射功率10-20W，样品目标厚度是：50 nm；（说明：可以在基底上预置掩模版以沉积周期性图案化的Bi2Te3薄膜，阵列的单元结构为矩形，面积为100 μm2；
4）制备PtSe2薄膜：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀在样品表面沉积一层高质量的Pt薄膜，厚度为5nm；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的Pt薄膜；
⑤在双温区管式炉对上述样品上沉积的Pt薄膜在氩气保护条件下进行硒化（硒化温度从250℃-450℃，时间：20分钟-2小时，气流量为Ar： 135 SCCN； H2： 15 SCCN），从而得到二硒化铂薄膜；
5）在Bi2Te3上沉积电极：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性在未被PtSe2覆盖的区域曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层高质量的金属薄膜电极，厚度为20nm；采用与Bi2Te3功函接近的材料，金；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到Bi2Te3上的电极；注意该电极不能跟同在Bi2Te3上面的PtSe2薄膜接触；
6）在PtSe2上沉积电极：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性在被PtSe2覆盖的区域曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层高质量的金属薄膜电极，厚度为20nm；采用与PtSe2功函接近的材料，铂；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到PtSe2上的电极；注意该电极不能与Bi2Te3薄膜接触。
如图1所示，最后得到的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，包括：
碲化铋热电转换层3以及一个设置于热电转换层3上的光热转换层4，光热转换层4的材料为二硒化铂，光热转换层4的面积小于热电转换层3的面积，光热转换层4上有第一电极6，热电转换层3上有第二电极5，光热转换层4经过光照升温，与热电转换层3形成温度梯度，沿厚度方向产生电势差。第一电极6采用铂，第二电极5采用金。
绝热绝缘层2贴合在所述热电转换层3下，基底层1贴合在所述绝热绝缘层2下。绝热绝缘层2采用二氧化硅，基底层1采用硅基底。
在某些实施例中，第一电极6和第二电极5还可以采用导电的金属或导电的薄膜材料，如：银，铜、铝或石墨烯；绝热绝缘层2还可以采用氮化硅，基底层1还可以采用聚亚酰胺。
如图3-4所示，是利用高精度电压表（Keithley 2450）和红外测温仪（德图testo公司，890专业型）监测器件的光热探测能力，在波长为980nm的激光照射下，可见器件的第一电极与第二电极的温差与输出的电流呈线性。
实施例二
如图1所示，是本发明基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器及其制备方法的一个实施案例。如图2所示，采用如下方法制备得到：
1）基底准备：将聚亚酰胺基底使用去离子水，无水乙醇等超声振荡清洗干净，并用氮气吹干以备后用；
2）在基底上沉积一层绝热绝缘层，可选材料为SiN，厚度300nm；
3）沉积Bi2Te3薄膜：将上面步骤得到的干净的基底预热到350-400摄氏度，采用磁控溅射的方法在基底上沉积一层Bi2Te3，溅射的参数是：气压，4.0-4.5Pa，1小时室温溅射时间，溅射功率10-20W，样品目标厚度是：200 nm；（说明：可以在基底上预置掩模版以沉积周期性图案化的Bi2Te3薄膜，阵列的单元结构为矩形，面积为1 mm2；
4）制备PtSe2薄膜：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀在样品表面沉积一层高质量的Pt薄膜，厚度为50nm；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的Pt薄膜；
⑤在双温区管式炉对上述样品上沉积的Pt薄膜在氩气保护条件下进行硒化（硒化温度从250℃-450℃，时间：20分钟-2小时，气流量为Ar： 135 SCCN； H2： 15 SCCN），从而得到二硒化铂薄膜；
5）在Bi2Te3上沉积电极：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性在未被PtSe2覆盖的区域曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层高质量的金属薄膜电极，厚度为200nm；可选材料为功函与Bi2Te3功函接近的材料，金；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到Bi2Te3上的电极；注意该电极不能跟同在Bi2Te3上面的PtSe2薄膜接触；
6）在PtSe2上沉积电极：
①先在前述样品上使用标准的光刻工艺，旋涂一层光刻胶，使用掩模版对准后，选择性在被PtSe2覆盖的区域曝光成周期性的目标图案；
②使用标准的光刻工艺将样品显影，去除曝光区域；
③利用电子束蒸镀或热蒸发在样品表面沉积一层高质量的金属薄膜电极，厚度为200nm；可选材料为功函与PtSe2功函接近的材料，铂；
④在刻蚀剂中剥离未曝光区域的光刻胶以及沉积在该区域的金属薄膜，得到PtSe2上的电极；注意该电极不能与Bi2Te3薄膜接触。
如图1所示，最后得到的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，包括：
碲化铋热电转换层3以及一个设置于热电转换层3上的光热转换层4，光热转换层4的材料为二硒化铂，光热转换层4的面积小于热电转换层3的面积，光热转换层4上有第一电极6，热电转换层3上有第二电极5，光热转换层4经过光照升温，与热电转换层3形成温度梯度，沿厚度方向产生电势差。第一电极6采用铂，第二电极5采用金。
绝热绝缘层2贴合在所述热电转换层3下，基底层1贴合在所述绝热绝缘层2下。绝热绝缘层2采用氮化硅，基底层1采用聚亚酰胺。
如图5-6所示，是利用高精度电压表（Keithley 2450）和红外测温仪（德图testo公司，890专业型）监测器件的光热探测能力，在波长为980nm的激光照射下，可见器件的第一电极与第二电极的温差与输出的电流呈线性，随着柔性聚亚酰胺基板弯曲，两端输出电压基本保持稳定。
Claims (9)
1.一种基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，包括：
碲化铋热电转换层以及一个设置于所述热电转换层上的光热转换层，所述光热转换层的材料为二硒化铂，所述光热转换层的面积小于所述热电转换层的面积，所述光热转换层上有第一电极，所述热电转换层上有第二电极，所述光热转换层经过光照升温，与热电转换层形成温度梯度，沿厚度方向产生电势差。
2.根据权利要求1所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，还包括绝热绝缘层，所述绝热绝缘层贴合在所述热电转换层下。
3.根据权利要求2所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，还包括基底层，所述基底层贴合在所述绝热绝缘层下。
4.根据权利要求2所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，所述绝热绝缘层是二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求3所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，所述基底层是硅基底或聚亚酰胺基底。
6.根据权利要求1所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为导电的金属，所述金属为金，银，铜、铝或铂。
7.根据权利要求1所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，所述第一电极和第二电极的材料为导电的薄膜材料，所述薄膜材料为石墨烯。
8.根据权利要求6所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器，其特征在于，所述第一电极的材料为铂，所述第二电极的材料为金。
9.一种制备权利要求1所述的基于二硒化铂碲化铋的光热电探测器的方法,其特征在于，包括如下步骤：
1）基底准备：将Si的基底清洗干净，并用氮气吹干；
2）在基底上沉积一层绝热绝缘层，绝热绝缘层为SiO2或SiN，厚度200-300nm；
3）在绝热绝缘层上沉积Bi2Te3薄膜，厚度为50-200 nm；
4）在Bi2Te3薄膜上沉积PtSe2薄膜，PtSe2薄膜的面积小于Bi2Te3薄膜的面积；
5）在Bi2Te3薄膜上的沉积第二电极；
6）在PtSe2薄膜上沉积第一电极。
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| CN108914062A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-30 | 重庆科技学院 | 一种大面积和图形化过渡金属硫化物薄膜的制备方法 |
| CN109449242A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-08 | 郑州大学 | 基于二维二硒化铂纳米薄膜与碲化镉晶体的异质结型近红外光电探测器及其制备方法 |
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|---|---|
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