CN114335209B - 一种偏振敏感光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于偏振光电探测器技术领域，公开了一种偏振敏感光电探测器及其制备方法，所述偏振敏感光电探测器的结构为电极‑WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结‑电极；TaIrTe4薄膜不接触电极，在MoS2薄膜和WSe2薄膜的边缘分别蒸镀电极。该器件具有垂直内置电场的WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结，获得了405～1550nm区域的宽带自供电的光电检测。本发明的偏振敏感光电探测器在635nm激光的自供电条件下，测得最大的各向异性光电流比为9.1。这种WSe2/TaIrTe4/MoS2结含有Ⅱ型Weyl费米子半金属，可以为高极化灵敏度、高性能的集成宽带光电探测器提供一种有效的途径。
Description
技术领域
本发明属于偏振光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种偏振敏感光电探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，由于偏振敏感光电探测器在导航、光学开关、遥感和高对比度偏振器等方面的广泛应用，引起了人们的广泛关注。为了实现有效的偏振光探测，器件中需要强各向异性的面内结构材料作为有源层。虽然取得了一些进展，但在材料的固有对称性和探测器的非集成结构的限制下，仍然存在各向异性比较低的问题。
Td相的TaIrTe4属于Ⅱ型Weyl半金属，只有4个Weyl点，在Weyl节点附近存在无间隙线性色散和贝利曲率增强的非线性光学效应。TaIrTe4具有独特的层状非中心对称正交结构且具有高迁移率，TaIrTe4薄片具有很强的面内光学和电学各向异性。基于Weyl半金属的光电探测器由于其拓扑保护的能带结构，在自供电、超宽带和高灵敏度方面有望比半导体表现出极好的性能。TaIrTe4的光电探测范围可达超低能量范围，但在室温下，相比于半导体基光电探测器而言，基于无带隙半金属的光电探测器存在高暗电流和超低响应性的问题，通常工作在零偏压下，通过光电热电效应(PTE)或光登伯效应等效率较低的机制来实现光载波分离。此外，半金属光生载流子瞬态寿命短，进一步加剧了电荷分离问题，降低了光检测效率。因此，迫切需要探索一种有效的装置来实现半金属探测器光载波的高效提取。
发明内容
为了解决以上半金属基的光电探测器面临的问题，本发明的首要目的在于提供一种偏振敏感光电探测器，该器件的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结-电极，具有自供电检测性能、大的光响应性、宽带光响应和高偏振灵敏度的特点。
本发明的另一目的在于提供上述偏振敏感光电探测器的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种偏振敏感光电探测器，所述偏振敏感光电探测器的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极；是将MoS2薄膜、TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜依次转移至SiO2/Si衬底上，构成WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结，TaIrTe4薄膜不接触电极，在MoS2薄膜和WSe2薄膜的边缘分别蒸镀电极。
优选地，所述的WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结中WSe2的厚度为10～20nm；所述的TaIrTe4的厚度为60～80nm；所述的MoS2的厚度为15～25nm。
优选地，所述的电极为铂和金，所述铂的厚度为10～15nm，所述金的厚度为50～60nm。
所述的偏振敏感光电探测装置的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将SiO2/Si依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗，用N2气枪吹干，再进行臭氧处理，得到处理的SiO2/Si衬底；
S2.用单晶胶带通过机械剥离依次获得WSe2、TaIrTe4和MoS2薄膜；在光学显微镜下从剥离的样品中分别选择厚度均匀、表面洁净的WSe2薄膜、TaIrTe4薄膜和MoS2薄膜；
S3.用PDMS贴到载玻片上，均匀涂抹PVA层，加热烘干后使PVA与TaIrTe4接触，然后加热至90～95℃，待PVA溶解后停止加热，待冷却到室温，抬起载玻片，TaIrTe4薄膜会随着载玻片/PDMS/PVA一起脱离SiO2/Si衬底，制得载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜；
S4.通过调整平台位置，将载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜中TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜相贴，加热至90～95℃，待PVA溶解抬起载玻片，PVA/TaIrTe4留在WSe2薄膜衬底上；将带有PVA/TaIrTe4/WSe2薄膜的SiO2/Si衬底置于二甲基亚砜溶液中，待PVA溶解干净，取出衬底并用N2气枪吹干，制得TaIrTe4/WSe2薄膜；
S5.按照步骤S3的方法制得载玻片/PDMS/PVA/MoS2薄膜，将载玻片/PDMS/PVA/MoS2薄膜中MoS2薄膜和步骤S4中的TaIrTe4/WSe2薄膜相贴，制得WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜；
S6.电极制备：将制备的WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜旋涂光刻胶，用无掩模光刻机刻出电极形状，使用电子束蒸镀机蒸镀电极，常温下泡丙酮，用N2气枪吹干，制得偏振敏感光电探测器，即为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极。
优选地，步骤S1中所述的超声的时间为2～5min；所述臭氧处理的时间为15～30min。
优选地，步骤S4中所述SiO2/Si衬底在二甲基亚砜溶液中加热的温度为50～60℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的偏振敏感光电探测器的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极，其具有高极化灵敏度、大的光敏度和在405～1550nm的宽带光敏度，在自供电条件下，响应率最高可达1.48A/W，探测率最高可达1011Jones。由于Td相TaIrTe4具有很强的面内非对称性，其角分辨偏振拉曼(ARPR)和二次谐波产生(SHG)均具有很强的面内各向异性。
2.本发明的偏振敏感光电探测器中的WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结均作为吸光层，有效提高了异质结光电探测器在可见光范围内的光吸收。同时，WSe2和MoS2层在这种夹层结构中构建了一个垂直的内置电场，促进了电子和空穴的分离，加速了载流子的转移。TaIrTe4独特的各向异性特性和WSe2/TaIrTe4/MoS2结构偏振敏感光电探测器良好的光探测性能，为进一步研究高偏振敏感和宽带高性能集成光探测器提供了有价值的研究方向。
3.本发明中WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结含有Ⅱ型Weyl费米子半金属TaIrTe4，属于正交晶系，具有较强的面内不对称，通过角分辨偏振拉曼光谱和二次谐波产生证实了这一点。由于具有垂直内置电场的WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结的特殊结构，获得了405～1550nm区域的宽带自供电的光电检测。该偏振敏感光电探测器在635nm激光的自供电条件下，测得最大的各向异性光电流比为9.1。可以为高极化灵敏度、高性能的集成宽带光电探测器提供一种有效的途径。
附图说明
图1为本发明偏振敏感光电探测器的结构示意图。
图2为实施例1的偏振敏感光电探测器的光学图像。
图3为实施例1的偏振敏感光电探测器在AFM下测得厚度分布图。
图4为实施例1的偏振敏感光电探测器的偏振IT图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种偏振敏感光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)硅片处理：将有300nm厚SiO2绝缘层的硅片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗，之后用N2气枪将洗好的硅片进行吹干；再将吹干的硅片进行臭氧处理，最后放进样品盒中封装备用。
(2)机械剥离：将(1)中处理好的硅片的正面贴到单晶胶带上金属光泽最好的位置上，并用镊子的侧面按压胶带的上表面，确保样品与硅片充分粘合，用指腹轻轻摁压90s，再放置于加热台上加热90s，冷却后用镊子将硅片缓慢剥下，通过剥离依次获得WSe2、TaIrTe4和MoS2样品，置于空白样品盒中，并标记样品名称。
(3)样品选取：在光学显微镜下从(2)中剥离出的样品中选择表面洁净，厚度为5～10nm的WSe2薄膜、厚度为60～80nm的TaIrTe4的薄膜，厚度为10～20nm的MoS2薄膜。
(4)干法转移：配置4克PVA颗粒加入21毫升去离子水中，在磁力搅拌器上进行搅拌，最终获得透明粘稠状PVA溶液；用PDMS贴到载玻片上，PMDS的另一面均匀涂抹一层PVA，加热烘干；将(3)中选好的TaIrTe4薄膜衬底置于转移平台的下平台上，将载玻片固定到微区转移平台的上平台，使PVA与TaIrTe4接触，然后加热至90～95℃，待PVA溶解后停止加热，待冷却到室温，抬起载玻片，TaIrTe4薄膜会随着载玻片/PDMS/PVA一起脱离SiO2/Si衬底，制得载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜；
(5)将步骤(2)中选好的WSe2薄膜衬底置于转移平台的下平台上，将上一步骤中制得的带有PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜的载玻片固定于微区转移平台的上平台上，通过调整平台位置，将载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜中TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜相贴，加热至90～95℃，待PVA溶解抬起载玻片，这时候载玻片/PDMS会离开硅片，PVA/TaIrTe4留在WSe2薄膜衬底上；将带有PVA/TaIrTe4/WSe2薄膜的SiO2/Si衬底置于二甲基亚砜溶液中，待PVA溶解干净，取出衬底并用N2气枪吹干，制得TaIrTe4/WSe2薄膜；
(6)按照步骤(4)的方法制得载玻片/PDMS/PVA/MoS2薄膜，按照步骤(5)的方法将MoS2薄膜转移至TaIrTe4/WSe2薄膜上，制得WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜，即为WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结。
(7)电极制备：将经过(6)制备的WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜旋涂光刻胶，用无掩模光刻机刻出电极形状；使用电子束蒸镀机蒸镀电极；常温下泡丙酮15min左右，至多余金箔脱落后用N2气枪轻轻吹干，制得电极/WSe2/TaIrTe4/MoS2/电极，即为偏振敏感光电探测器。
图1为实施例1的偏振敏感光电探测器的结构示意图。从图1可知，该探测器的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极。是将MoS2薄膜、TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜依次转移至SiO2/Si衬底上，构成WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结，并在MoS2薄膜和WSe2薄膜分别蒸镀电极，而TaIrTe4薄膜不接触电极。图2为实施例1的偏振敏感光电探测器的光学图像。从图2可知，WSe2薄膜和MoS2薄膜不存在直接接触，确保电流都经过TaIrTe4流通。图3为实施例1的偏振敏感光电探测器在AFM下测得厚度分布图。其中，(a)为测的WSe2的厚度，(b)为TaIrTe4的厚度，(c)为MoS2的厚度。从图3可知，偏振敏感光电探测器所选用材料的最优厚度分别为8.5nm的WSe2薄膜、71nm的TaIrTe4薄膜和14.1nm的MoS2薄膜。图4为实施例1的偏振敏感光电探测器的偏振IT图像。其中，(a)是偏振IT曲线和拟合线，(b)是IT强度的极坐标表示和拟合曲线。从图4可知，在405nm和808nm激光波长范围内都存在各向异性光电流比，在635nm激光照射下，偏压为零的情况下，该偏振敏感光电探测器的各向异性光电流比最大可达9.1。
将制备的偏振敏感光电探测器(电极/WSe2/TaIrTe4/MoS2/电极)放置于光电测试探针台上，通过在激光器端口添加偏振片进行不同波长、功率和偏振角度下的光电测试。该偏振敏感光电探测器具有高极化灵敏度、大的光敏度和在405～1550nm的宽带光敏度，在自供电条件下，响应率最大为1.48A/W，探测率最大为2.39×1011Jones。
实施例2
与实施例1不同的在于：在控制其他变量相同的情况下，选取厚度为40～60nm的TaIrTe4薄膜，制得偏振敏感光电探测器(电极/WSe2/TaIrTe4/MoS2/电极)。在635nm激光照射下，设置零偏压下进行偏振光电流测试，测得各向异性光电流比为8.5。测试结果说明TaIrTe4的薄膜的厚度变化会影响该装置的各向异性光电流比，且厚度为40～60nm的TaIrTe4薄膜装置各向异性光电流比小于实施例1。
实施例3
与实施例1不同的在于：在控制其他变量相同的情况下，选取厚度为80～100nm的TaIrTe4薄膜，制得偏振敏感光电探测器(电极/WSe2/TaIrTe4/MoS2/电极)。在635nm激光照射下，设置零偏压下进行偏振光电流测试，测得各向异性光电流比为6.5。结果显示，本实施例中TaIrTe4薄膜的厚度为60～80nm时得到的各向异性光电流比最大。
本发明的偏振敏感光电探测器的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极，其具有高极化灵敏度、大的光敏度和在405～1550nm的宽带光敏度，在自供电条件下，响应率最大为1.48A/W，探测率最大为2.39×1011Jones。在635nm激光的自供电条件下，光电流各向异性光电流比为6.5～9.1。由于TaIrTe4独特的各向异性特性和WSe2/TaIrTe4/MoS2结构偏振敏感光电探测器良好的光探测性能，为进一步研究高偏振敏感和宽带高性能集成光探测器提供了有价值的研究方向。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种偏振敏感光电探测器，其特征在于，所述偏振敏感光电探测器的结构为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极；是将MoS2薄膜、TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜依次转移至SiO2/Si衬底上，构成WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结，TaIrTe4薄膜不接触电极，在MoS2薄膜和WSe2薄膜的边缘分别蒸镀电极。
2.根据权利要求1所述的偏振敏感光电探测器，其特征在于，所述的WSe2/TaIrTe4/MoS2异质结中WSe2的厚度为10～20nm；所述的TaIrTe4的厚度为60～80nm；所述的MoS2的厚度为15～25nm。
3.根据权利要求1所述的偏振敏感光电探测器，其特征在于，所述的电极为铂和金，所述铂的厚度为10～15nm，所述金的厚度为50～60nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的偏振敏感光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.将SiO2/Si依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗，用N2气枪吹干，再进行臭氧处理，得到处理的SiO2/Si衬底；
S2.用单晶胶带通过机械剥离依次获得WSe2、TaIrTe4和MoS2薄膜；在光学显微镜下从剥离的样品中分别选择厚度均匀、表面洁净的WSe2薄膜、TaIrTe4薄膜和MoS2薄膜；
S3.用PDMS贴到载玻片上，均匀涂抹PVA层，加热烘干后使PVA与TaIrTe4接触，然后加热至90～95℃，待PVA溶解后停止加热，待冷却到室温，抬起载玻片，TaIrTe4薄膜会随着载玻片/PDMS/PVA一起脱离SiO2/Si衬底，制得载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜；
S4.通过调整平台位置，将载玻片/PDMS/PVA/TaIrTe4薄膜中TaIrTe4薄膜和WSe2薄膜相贴，加热至90～95℃，待PVA溶解抬起载玻片，PVA/TaIrTe4留在WSe2薄膜衬底上；将带有PVA/TaIrTe4/WSe2薄膜的SiO2/Si衬底置于二甲基亚砜溶液中，待PVA溶解干净，取出衬底并用N2气枪吹干，制得TaIrTe4/WSe2薄膜；
S5.按照步骤S3的方法制得载玻片/PDMS/PVA/MoS2薄膜，将载玻片/PDMS/PVA/MoS2薄膜中MoS2薄膜和步骤S4中的TaIrTe4/WSe2薄膜相贴，制得WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜；
S6.电极制备：将制备的WSe2/TaIrTe4/MoS2薄膜旋涂光刻胶，用无掩模光刻机刻出电极形状，使用电子束蒸镀机蒸镀电极，常温下泡丙酮，用N2气枪吹干，制得偏振敏感光电探测器，即为电极-WSe2/TaIrTe4/MoS2-电极。
5.根据权利要求4所述的偏振敏感光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的超声的时间为2～5min；所述臭氧处理的时间为15～30min。
6.根据权利要求4所述的偏振敏感光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述SiO2/Si衬底在二甲基亚砜溶液中加热的温度为50～60℃。
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