CN113193070A - 一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器及其制备方法 - Google Patents
一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器及其制备方法，该光电传感器包括以下部分：柔性栅介质层、源电极、二维二硒化钯、绝缘层、漏电极、聚甲基丙烯酸甲酯、柔性透明衬底。本发明是通过简单、快速的方法制备了所述的光电传感器，通过引入静电场对二硒化钯进行原位掺杂形成同质结，从而构筑了柔性光电传感器，由于二硒化钯对红外光和可见光的宽吸收范围和光电传感器结构的合理设计，该柔性光电传感器可实现自驱动宽光谱探测，而且制得的光电传感器结构简单，制备工艺难度小，适合应用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，涉及一种光电传感器领域，具体涉及一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器及其制备方法。
背景技术
光电传感器是一种基于光电效应的原理将光信号转化成电信号的器件，在电力电子设备中应用广泛。随着电力电子设备不断发展，柔性光电传感器不断显现出巨大的潜在应用价值。传统体材料构筑的光电传感器具有相对成熟的制备工艺和良好性能，但依然存在亟待解决的问题。如何提高自驱动光电传感器的响应速度、如何提升宽光谱探测范围以及如何实现高量子效率的室温红外自驱动探测等是目前光电器件发展的关键难点。此外，在制备工艺上，由于体材料结合过程中存在晶格匹配问题以及表面态，一直困扰研究者进一步提升传统体材料的光电传感性能。
自石墨烯发现以来，二维材料体系涌现出许多种类，涵盖了导体、半导体和绝缘体等多方面。同时，二维材料的共性特征是表面无悬挂键，可以实现“按需设计”来选择不同的二维材料来构筑各类器件，避免了体材料中需要考虑的晶格匹配问题。在众多二维材料中，二维二硒化钯属于新兴材料体系，在可见-近红外波段具有优异的光吸收性能，同时，二硒化钯在室温下具有较高的载流子迁移率，室温迁移率高达294每平方厘米每伏每秒，有利于光电探测器中载流子快速传输，提升器件的响应速度。因此，对二硒化钯进行掺杂调控，构筑同质结即可实现器件的自驱动探测。由于采用传统体材料的掺杂方式，比如离子注入和表面改性方法，难以对二维二硒化钯形成稳定的掺杂，此外，通过堆垛方法可能会产生不可控的随机堆垛和界面气泡，严重影响二硒化钯同质结的载流子输运性能。因此，发展一种快速、稳定的方法实现二维二硒化钯的掺杂来构筑二维二硒化钯同质结制备光电传感器仍旧是一个亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器及其制备方法。该方法工艺简单、快速、稳定，制备所得的二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器在红外波段可实现宽光谱自驱动探测，具有非常广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，所述柔性自驱动宽光谱光电传感器包括以下组成部分：柔性栅介质层、源电极、二维二硒化钯、绝缘层、漏电极、聚甲基丙烯酸甲酯、柔性透明衬底。
进一步地，所述源电极为金属铟电极，完全覆盖在所述二维二硒化钯上方。
进一步地，所述二维二硒化钯的厚度为3-20nm，所述二维二硒化钯部分覆盖在所述漏电极上，部分覆盖在绝缘层上方。
进一步地，所述绝缘层为氮化硼，所述绝缘层的厚度为5-10nm，部分覆盖在所述漏电极上方，部分覆盖在所述聚甲基丙烯酸甲酯上方。
进一步地，所述漏电极为石墨烯，所述漏电极的厚度为0.3-20nm，完全覆盖在所述聚甲基丙烯酸甲酯上方。
进一步地，所述聚甲基丙烯酸甲酯的厚度为100-500nm，所述聚甲基丙烯酸甲酯完全覆盖在柔性透明衬底上方，不与所述二维二硒化钯接触。
进一步地，所述的柔性自驱动宽光谱光电传感器的探测光谱范围为400-3000nm。
进一步地，一种上述二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在柔性透明衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干成膜；
(2)将石墨烯转移到所述步骤(1)中的聚甲基丙烯酸甲酯上方，作为所述光电传感器的漏电极；
(3)将绝缘层氮化硼转移到所述步骤(2)中漏电极石墨烯的上方，并部分覆盖在所述漏电极石墨烯上方；
(4)将二维二硒化钯部分转移到所述步骤(2)的漏电极石墨烯上方，部分转移到所述步骤(3)中的绝缘层氮化硼的上方；
(5)在与所述绝缘层氮化硼接触的二维二硒化钯上方制备金属铟电极，作为光电传感器的源电极；
(6)将所述柔性栅介质层固化后，转移覆盖到所述步骤(5)中整个结构的上方，完成所述二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制作。
所述柔性栅介质连接外部电场，既可以对部分二维二硒化钯进行静电掺杂，又可以对整个光电传感器器件形成环境隔绝从而保护光敏材料稳定性，凸透镜结构的柔性栅介质层起到聚光作用以提高光电传感器的光吸收效率。
所述源电极铟电极可以屏蔽外部电场对其下方的二维二硒化钯的掺杂作用，从而在整个二维二硒化钯中形成p-n同质结。
所述绝缘层氮化硼可屏蔽柔性透明衬底对二维二硒化钯中载流子的散射损耗。
所述漏电极石墨烯与二维二硒化钯相连接构成电流回路，二维二硒化钯和石墨烯中的载流子在所构成的电流回路中进行定向运动，形成电流。
所述聚甲基丙烯酸甲酯可以屏蔽柔性透明衬底对石墨烯中载流子的散射损耗，有效提升电极导电率。当二维二硒化钯形成的p-n同质结在接收光信号后，可自发形成光伏电流或光伏电压，从而实现自驱动光电传感器的探测功能。
与现有技术相比，本发明具备的有益效果在于：
(1)本发明引入静电场对二硒化钯进行原位掺杂形成p-n同质结，从而构筑了柔性光电传感器。
(2)由于二硒化钯可以吸收红外和可见光，本发明所得的光电传感器可以实现400-3000nm的宽光谱自驱动探测及室温传感性能。
(3)本发明的制备的光电传感器结构简单，制备工艺难度小，适合应用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的结构示意图。
图2为本发明二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器器件光伏电流随开/关光的响应关系。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，包括以下组成部分：柔性栅介质层(1)、源电极金属铟电极(2)、二维二硒化钯(3)、绝缘层氮化硼(4)、漏电极石墨烯(5)、聚甲基丙烯酸甲酯(6)、柔性透明衬底(7)。所述的柔性栅介质层(1)具有多重作用：第一种作用是连接外部电场对部分二维二硒化钯进行静电掺杂，第二种作用是对光电传感器器件形成环境隔绝，保护光敏材料稳定性，第三种作用是凸透镜结构的栅介质层起到聚光作用，提高光电传感器器件的光吸收效率。所述的源电极金属铟电极可屏蔽外部电场对其下方的二维二硒化钯的掺杂作用，在整个二维二硒化钯中形成p-n同质结。所述的绝缘层氮化硼(4)可屏蔽柔性透明衬底对二维二硒化钯中载流子的散射损耗。所述的漏电极石墨烯电极(5)，与二维二硒化钯相连接，构成电流回路，二维二硒化钯和石墨烯中的载流子在所构成的电流回路中进行定向运动，从而形成电流。所述的聚甲基丙烯酸甲酯(6)可屏蔽柔性透明衬底对石墨烯中载流子的散射损耗，可有效提升电极导电率。当二维二硒化钯(3)形成的p-n同质结在接收光信号后，可自发形成光伏电流或光伏电压，从而实现挂号电传感器自驱动光电探测功能，由于二维二硒化钯可吸收红外及可见光，所以本发明所得的光电传感器可实现宽光谱自驱动探测功能。
所述二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用旋涂法在柔性透明衬底上旋涂300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，并将旋涂好的聚甲基丙烯酸甲酯在100℃热板上进行烘干1分钟后成膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯膜完全覆盖在柔性透明衬底上方，并且不与所述二维二硒化钯接触；
(2)利用聚甲基丙烯酸甲酯膜辅助的湿法转移方法，结合精确转移平台，将3nm厚的石墨烯转移到所述步骤(1)中的聚甲基丙烯酸甲酯层上方，作为所述光电传感器的漏电极；
(3)利用聚氯乙烯膜辅助的干法转移方法，结合精确转移平台，将10nm厚的绝缘层氮化硼转移到所述步骤(2)中漏电极石墨烯的上方，并部分覆盖在所述漏电极石墨烯上方；
(4)利用聚氯乙烯膜辅助的干法转移方法，结合精确转移平台的精确定位，将6nm厚的二维二硒化钯部分转移到所述步骤(2)的漏电极石墨烯上方，部分转移到所述步骤(3)中的绝缘层氮化硼的上方；
(5)采用电子束曝光技术和真空热蒸发法，在与所述绝缘层氮化硼接触的二维二硒化钯上方制备金属铟电极，作为光电传感器的源电极；
(6)首先利用旋涂法在表面平整的硅片上旋涂柔性栅介质层，并对所述柔性栅介质层进行烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为3小时，得到固化后的柔性栅介质层，将所述固化后的柔性栅介质层从表面平整的硅片上剥离下来，直接覆盖到所述步骤(5)中整个结构的上方，完成所述二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制作。
在制作完成上述整个光电传感器器件后，采用400-3000nm中1550nm的波段光源作为辐照源，利用半导体性能测试仪对上述器件进行性能测试，测试结果如图2所示：在光源关闭时，由于无外部供源，光电传感器中没有流通的电流，电流为零；在打开光源时，电流在瞬间就会由零升高到一定数值，这表明本发明的光电传感器器件具有良好的自驱动宽光谱室温传感性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述柔性自驱动宽光谱光电传感器包括以下组成部分：柔性栅介质层、源电极、二维二硒化钯、绝缘层、漏电极、聚甲基丙烯酸甲酯、柔性透明衬底。
2.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述源电极为金属铟电极，完全覆盖在所述二维二硒化钯上方。
3.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述二维二硒化钯的厚度为3-20nm，所述二维二硒化钯部分覆盖在所述漏电极上，部分覆盖在绝缘层上方。
4.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述绝缘层为氮化硼，所述绝缘层的厚度为5-10nm，部分覆盖在所述漏电极上方，部分覆盖在所述聚甲基丙烯酸甲酯上方。
5.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述漏电极为石墨烯，所述漏电极的厚度为0.3-20nm，完全覆盖在所述聚甲基丙烯酸甲酯上方。
6.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯的厚度为100-500nm，所述聚甲基丙烯酸甲酯完全覆盖在柔性透明衬底上方，不与所述二维二硒化钯接触。
7.根据权利要求1所述的一种二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器，其特征在于，所述的柔性自驱动宽光谱光电传感器的探测光谱范围为400-3000nm。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在柔性透明衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干成膜；
(2)将石墨烯转移到所述步骤(1)中的聚甲基丙烯酸甲酯上方，作为所述光电传感器的漏电极；
(3)将绝缘层氮化硼转移到所述步骤(2)中漏电极石墨烯的上方，并部分覆盖在所述漏电极石墨烯上方；
(4)将二维二硒化钯部分转移到所述步骤(2)的漏电极石墨烯上方，部分转移到所述步骤(3)中的绝缘层氮化硼的上方；
(5)在与所述绝缘层氮化硼接触的二维二硒化钯上方制备金属铟电极，作为光电传感器的源电极；
(6)将所述柔性栅介质层固化后，转移覆盖到所述步骤(5)中整个结构的上方，完成所述二维二硒化钯柔性自驱动宽光谱光电传感器的制作。
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