CN112614903A - 铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法，铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，它包括：基体、叉指间隙、叉指电极5，所述的叉指电极5为石墨涂层，涂在基体上；在叉指间隙上涂GaS层；所述的叉指电极5铅笔绘在基体上，所述的叉指电极5接电部设有蒸镀金层；所述的涂GaS层，将GaS悬浊液滴加在叉指间隙上，加热烘干至深黄色；所述的涂GaS层为多层，重复滴加GaS悬浊液，加热烘干；得到了在二维材料探测器领域可观的结果：在532nm激光照射条件下拥有较高的响应度R=109.2A/W和较大的探测率D*=1.94×109Jones。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，光电技术蓬勃发展，探测器技术已经渗透到人民群众生产和生活的各个角落，红外成像，光道通讯和军事化监控等应用发展比较成熟。但是，其中发展较早的Si基光电探测器处于一种瓶颈状态，虽然其从可见到红外部分的探测性能已经比较优秀，但是随着器件工艺越来越精细，尺寸把控精准之际，“摩尔定律”的极限把Si基的光电探测排除到经典物理理论之外。不仅如此， Si基光电探测器的较差的光吸收系数和较窄的光谱响应也限制其应用。所以，吸收效率高，频谱响应宽以及柔性较好的新型探测材料的空白需要被填补。随着二维层状材料的科研探索，一些新型二维材料为光电探测领域提供了新机遇和新挑战。高响应，宽波段，可拉伸的光电探测器的未来逐渐明晰TMDs的制备工艺，表征手段和光电性质调控已经逐步被深刻挖掘和探索。组成决定结构，结构决定性质，选择一种拥有高导电性，灵敏光电调控的材料成为了当下的热点问题。而传统制备工艺，如物理气相沉积，化学气相沉积等方法不容易获得大尺寸而比较均匀的材料。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，而提供了铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法；
铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，它包括：基体、叉指间隙、叉指电极5，所述的叉指电极5为石墨涂层，涂在基体上；在叉指间隙上涂GaS层；
所述的叉指电极5铅笔绘在基体上，
所述的叉指电极5接电部设有蒸镀金层；
所述的涂GaS层，将GaS悬浊液滴加在叉指间隙上，加热烘干至深黄色；
所述的涂GaS层为多层，重复滴加GaS悬浊液，加热烘干；
所述的涂GaS层为5-10层；
所述的基体上涂GaS层，然后在涂GaS层上铅笔绘制叉指电极5。
铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的制备方法：它包括：
1）配制GaS悬浊液：
a.GaS体材料加70%的乙醇；磁力搅拌，溶解；
b.超声；
c.静置分层，弃上清，取下层悬浊液；
2）基体1为纸基，在纸基上打印叉指电极轮廓；
3）用第一掩模板3遮挡住叉指电极区域四周，露出叉指部2和叉指间隙；将GaS悬浊液，滴涂至露出部分完全覆盖；
4）利用热盘加热至80℃烘烤，至黄色；
5）重复上述步骤3）、4）操作5-10次，得 GaS涂层4；
6）取下第一掩模板3，用铅笔绘制叉指电极5；
7）将第二掩模板6，盖住叉指部2，在叉指电极5接电部，蒸镀Au，得蒸镀Au层7；
8）裁减掉多余的基体1，得铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器；
步骤1）所述的超声，其功率1200W，超声时间60min；
所述的叉指电极3cm×1.2cm。
本发明提供了铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器及其制备方法，铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，它包括：基体、叉指间隙、叉指电极5，所述的叉指电极5为石墨涂层，涂在基体上；在叉指间隙上涂GaS层；所述的叉指电极5铅笔绘在基体上，所述的叉指电极5接电部设有蒸镀金层；所述的涂GaS层，将GaS悬浊液滴加在叉指间隙上，加热烘干至深黄色；所述的涂GaS层为多层，重复滴加GaS悬浊液，加热烘干；得到了在二维材料探测器领域可观的结果：在532nm激光照射条件下拥有较高的响应度R=109.2A/W和较大的探测率D*=1.94×109Jones。
附图说明
图1-6是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的制备流程示意图；
图7是铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器立体图；
图8是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的纵切剖面示意图；
图9是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的横切剖面示意图；
图10是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的光隙曲线示意图；
图11是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的拉曼光谱测试图；
图12是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的IV曲线图；
图13是本发明铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的光响应测试图；
图中：基体1，叉指部2，第一掩模板3，GaS涂层4，叉指电极5，第二掩模板6，蒸镀Au层7。
具体实施方式
实施例1铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器
请参见附图7-9，铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，它包括：基体、叉指间隙、叉指电极5，所述的叉指电极5为石墨涂层，涂在基体上；在叉指间隙上涂GaS层；所述的叉指电极5铅笔绘在基体上，所述的叉指电极5接电部设有蒸镀金层。
实施例2用于制备GaS二维材料的悬浊液
GaS悬浊液，制备步骤如下：
1）取GaS体材料，尺寸约0.2cm2，厚度约500nm左右；
2）配置体积分数为70%的乙醇水溶液50ml，将GaS体材料浸于配置好的溶液中；
3）将溶液倾倒至锥形瓶中，放置磁力搅拌子，低速搅拌2h；
4） 直至溶液中没有明显的颗粒状或块体材料后，将搅拌子取出，并将溶液一次性转移到200ml烧杯中；
5）无需静止，直接放入超声仪中， 1200W功率，超声60min；
6）取出溶液后，静置12h后，可得到上清下浊的明显分层，保留下层，即得GaS悬浊液。
实施例3纸基GaS光电探测器的制备方法
参见图2-7所示，纸基GaS探测器的制备方法如下：
1）参见附图1,基体1材料为普通打印纸张，本实施例中采用纸张为晨光APYVQ959复印纸（70g/A4）；用喷墨或者激光打印机打印出叉指电极轮廓或者画出叉指电极轮廓；每份叉指电极轮廓尺寸约3cm×1.2cm；然后，对绘制有叉指电极轮廓的纸基进行剪裁，裁剪为5cm×3cm大小的基体1；
2）参见附图2和附图3,使用第一掩模板3遮挡住叉指电极区域四周，只露出叉指部2和叉指间隙；将实施例2中得到的GaS悬浊液，滴涂到未被第一掩模板3遮盖的部分，滴涂至GaS悬浊液完全覆盖即可，约3--5滴；
3）利用热盘加热至80℃，直至烘干留有均匀的黄色印记；
4）重复上述2,3操作5-10次，可在基体1上留下被烘干的深黄色的多层GaS悬浊液材料，即GaS涂层4；
5）参见附图4,取下第一掩模板3，除叉指间隙外，参见附图5将叉指电极区域的剩余部分用铅笔（4B）涂满；或其它石墨材料进行均匀涂抹，直至形成均匀的叉指电极5；
6）参见附图6,再用第二掩模板6，盖住叉指部2，只留出接电部，蒸镀0.08g的Au，得蒸镀Au层7；
7）参见附图7，裁减掉多余的基体1，只保留探测器部分。
纸基GaS光电探测器的性能表征
参见图10至图13所示，GaS的理化性质和光电导型光电探测器的基本原理，在自然条件下，GaS是一种层状半导体材料，每层由Ga-S-S-Ga构成重复单元，z方向有稳定的六边形结构，属于六方晶系。GaS层内原子通过共价键连接，层间通过范德华力实现层间耦合；GaS的半导体带隙对于其层数有较强的依赖性，根据第一性原理计算，从体材料到单层材料的过渡的过程中，带隙从2.59eV逐渐变化到1.6eV，这使得GaS层状材料可以用于制造近紫外-短波可见光的探测器件；间接带隙的GaS不具备很好的发光特性，其在发光领域的应用举步维艰。然而GaS对光有比较好的吸收和良好的光电导特性。光电导特性是指：在一定波长的光的照射下，材料电导率会比暗态提升很多的性质；这源于材料在激光作用下产生了很多光生载流子参与导电，大大提升了材料的导电性,GaS即为其中较好的光电导型材料。制备完成的纸基GaS探测器可用万用表对两端蒸镀的Au进行测试；
为鉴定所选材料在经过液相超声剥离后未变质，将滴涂的材料进行了拉曼光谱的测试：GaS在自然条件下可检测到三种振动模式：E2g 1,A1g 1，以及A1g 2，分别对应波数259cm-1，188cm-1，361cm-1。
选取叉指间隙中同一点，利用532nm激光进行拉曼光谱测试，发现增强的GaS拉曼信号，确定有大量样品存在于沟道中。也对其用532nm激光进行了光致发光光谱采集，结果如图所示，其发光峰位在655nm左右，可通过带隙推测出测得材料为多层结构。
为了实验的严谨性，考虑到石墨可能存在涂抹不均匀或超出轮廓的误差，需要进一步排除石墨电极的影响。在此，将叉指间隙全部用铅笔进行均匀涂抹，不加GaS悬浊液，在532nm激光低功率照射下，测量其IV曲线。可见，石墨电极导通,但光电流很小，属纳安（nA）级别。而且，其测试条件比较苛刻，在低压下光电流很小，需要在高电压下进行测试，方可测到明显的开启导通状态。
对比上述补充实验，用GaS悬浊液4滴涂作为导电沟道的探测器性能较好。同一测试条件下，光电流有了4-5个数量级的提升，达到了几十微安（μA）的级别，且暗电流仍保持在纳安（nA)。这可以归因于GaS材料的光电导效应,光生载流子，即电子和空穴，拥有相反电性，外加偏压电场在导带和价带分离，形成较大光电流，实现光增益。其次，随着激发光功率的增加，其光电流也随之增强，这也是光电导效应的重要现象之一。
为了探究纸基GaS光电探测器是否具有宽波段的响应，本发明对于可见波段多种激光的进行了探测器的光响应测试。经过反复测试，选取10V作为偏压，可保持一个较低的暗电流和较大的开关比。为比较纸基GaS材料在光电探测器领域的水平，在此引入相关参数的计算和比较。
响应度（Responsivity）.衡量单位受光面积受到单位能量激发所产生的光电流。
可表述为如下公式：
此处，I为特定波长激发下产生光生电流的大小，即光电流和暗态电流的差值，P为功率密度，S为辐射面积。分母两项乘积可由功率计直接探测得到。取532nm激发最优，最终计算结果为R=109.2A/W。
（1） 探测率（Detectivity).探测率是衡量探测能力的参数，其大小可作为比较依据，在低维材料中的计算方法如下：
其中R为（1）中计算的响应度；S为辐射面积，本文其平方根取近似，1μm即激光直径；e为电子电量，Idark为暗电流。得到计算结果为D*=1.94×109Jones。
本发明采取铅笔勾勒的方法绘制出石墨电极，并采用体材料液相超声后分散液滴涂的方法，首次制备了宏观尺度的GaS光电探测器。如表1所示，得到了在二维材料探测器领域可观的结果：在532nm激光照射条件下拥有较高的响应度R=109.2A/W和较大的探测率D*=1.94×109Jones。
TMDs作为一种新兴的二维探测器原材料，未来需要满足各种实际需求。一方面需要找到迁移率和吸收效率高的半导体材料，达到可大规模制备的需求；另一方面需要不断优化现有成果：可通过表面增强或者材料掺杂的手段，使得当前各项探测器衡量参数提升到新层次。
Claims (10)
1.铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，它包括：基体、叉指间隙、叉指电极（5），其特征在于：所述的叉指电极（5）为石墨涂层，涂在基体上；在叉指间隙上涂GaS层。
2.根据权利要求1所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的叉指电极（5）是用铅笔在基体上绘制的。
3.根据权利要求2所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的叉指电极（5）接电部设有蒸镀金层。
4.根据权利要求3所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的涂GaS层，将GaS悬浊液滴加在叉指间隙上，加热烘干至深黄色。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的涂GaS层为多层，重复滴加GaS悬浊液，加热烘干。
6.根据权利要求5所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的涂GaS层为5-10层。
7.根据权利要求6所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器，其特征在于：所述的基体上涂GaS层，然后在涂GaS层上铅笔绘制叉指电极（5）。
8.铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的制备方法：它包括：
1）配制GaS悬浊液：
a.GaS体材料加70%的乙醇；磁力搅拌，溶解；
b.超声；
c.静置分层，弃上清，取下层悬浊液；
2）基体（1）为纸基，在纸基上打印叉指电极轮廓；
3）用第一掩模板（3）遮挡住叉指电极区域四周，露出叉指部（2）和叉指间隙；将GaS悬浊液，滴涂至露出部分完全覆盖；
4）利用热盘加热至80℃烘烤，至黄色；
5）重复上述步骤3）、4）操作5-10次，得 GaS涂层（4）；
6）取下第一掩模板（3），用铅笔绘制叉指电极（5）；
7）将第二掩模板（6），盖住叉指部（2），在叉指电极（5）接电部，蒸镀Au，得蒸镀Au层（7）；
8）裁减掉多余的基体（1），得铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器。
9.根据权利要求8所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的超声，其功率1200W，超声时间60min。
10.根据权利要求9所述的铅绘电极二维材料纸基GaS光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的叉指电极3cm×1.2cm。
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