CN114597268A - 光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种光电探测器，包括：衬底；电极层，形成在衬底上，包括两个叉指单元，两个叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及微米层，覆盖多个叉指单元的多个叉指，叉指单元的叉指与微米层之间基于范德华力结合。范德华力消除了金属电极层和纳米层界面处化学无序、高缺陷态的缺点，避免了费米能级钉扎效应，降低了暗电流，改善了光提取和光电流的收集。

Description

光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域的光电探测技术领域，特别是一种基于范德华力的光电探测器及其制备方法。
背景技术
紫外光电探测器在电子通信、生物医疗、化学分析、成像、日常生活检测、深海探测等领域有着广泛的应用。近年来，金属卤化物钙钛矿材料因其较大的光吸收系数，长的电荷扩散长度，高且平衡的载流子传输能力，带隙可调等优点，成为制备高性能紫外光电探测器的理想候选材料，在紫外光电探测器方面取得了长足的进步。
传统的钙钛矿基紫外光电探测器主要可分为以下几类：光电导型、PN结型、多层异质结型、金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器。其中，MSM型光电探测器由两个背靠背肖特基势垒组成，因其高响应速度而备受关注。然而，该类器件的金属-半导体界面往往呈现化学无序状态，且具有较高的缺陷态，经常表现出高暗电流。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光电探测器及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
根据本公开的实施例，提供了一种光电探测器，包括：衬底；电极层，形成在所述衬底上，包括两个叉指单元，两个所述叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及微米层，覆盖多个所述叉指单元的多个所述叉指，所述叉指单元的叉指与所述微米层之间基于范德华力结合。
根据本公开的实施例，其中：所述叉指单元的材料为MXene；所述微米层的材料为铯铋碘。
根据本公开的实施例，所述衬底包括聚对苯二甲酸乙二酯衬底。
根据本公开的实施例，所述微米层包括多个六边形单晶，所示单晶边长包括100纳米～20微米。
根据本公开的另一个方面的实施例，所述的光电探测器的制备方法，包括：S1：选择一衬底；S2：在所述衬底上制备电极层，所述电极层包括两个叉指单元，两个所述叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及S3：在所述叉指单元上制备微米层，所述微米层覆盖所述叉指单元的叉指。
根据本公开的实施例，所述衬底在制备所述电极层前依次进行第一清洗处理和第二清洗处理，所述第一清洗处理为去污处理，所述第二清洗处理适用于提高所述衬底的亲水性。
根据本公开的实施例，所述微米层由铯铋碘溶液制成。
根据本公开的实施例，制备所述铯铋碘溶液的步骤包括：将碘化铯和碘化铋混合溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的混合溶液中；在60摄氏度条件下搅拌1小时，形成铯铋碘溶液；以及将配置好的铯铋碘溶液放置于氩气气体保护的手套箱中。
根据本公开的实施例，在所述叉指单元上制备所述微米层的步骤包括：将铯铋碘溶液以及已形成的衬底和电极层进行预热；以及将铯铋碘溶液旋涂覆盖在由MXene制备的电极层的叉指上；优选地，旋涂的速度为低速500转每分钟/5秒，高速3000转每分钟/30秒。
根据本公开的实施例，在制备所述微米层后在氩气气体保护的手套箱中进行退火处理。
根据本公开上述实施例的光电探测器，电极层的叉指单元中各叉指之间互相绝缘，当待测光束照射光电探测器时，微米层产生电子-空穴对，在外加电场作用下，载流子发生漂移，使得所述电极层上的电流发生变化，微米层和电极层之间的范德华力避免费米能级钉扎效应，降低了暗电流，改善了光提取和光电流的收集。
附图说明
图1是根据本公开示意性实施例的光电探测器的简易俯视图；
图2是图1所示的光电探测器的微米层在电子显微镜下扫描的局部照片；
图3是图1所示的光电探测器的微米层的紫外吸收峰光谱的曲线；
图4是图1所示的光电探测器的能带形成原理示意图；
图5是图1所示的光电探测器的响应电流随光功率的变化的曲线；
图6是图1所示的光电探测器的在405纳米、366.3微瓦每平方厘米光照下，在5伏偏压下，响应电流随时间变化的曲线；以及
图7(a)和(b)是图1所示的光电探测器截取一个周期的响应电流随时间变化的曲线，上升时间和衰减时间分别定义为响应电流从峰值的10％上升到90％(或从90％衰减到10％)所需的时间，图7a为响应电流随时间上升曲线，图7b为响应电流随时间衰减曲线。
附图标记说明
1：衬底；
2：电极层；
211：第一基部；
212：第二基部；
221：第一叉指单元；
222：第二叉指单元；
3：微米层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
为便于本领域技术人员理解本公开技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本公开的示意性实施例的光电探测器的简易俯视图。
本公开的实施例提供一种光电探测器，如图1所示，该光电探测器包括：衬底1；形成在衬底1上的电极层2，电极层2包括两个叉指单元，两个叉指单元的多个手指形的叉指相向延伸并互相绝缘；覆盖多个叉指单元的多个叉指的微米层3，叉指单元的叉指与微米层3之间基于范德华力结合；当待测光束照射光电探测器时，微米层产生电子-空穴对，在外加电场作用下，载流子发生漂移，使得所述电极层上的电流发生变化，微米层和电极层之间的范德华力避免费米能级钉扎效应，降低了暗电流，改善了光提取和光电流的收集。
在一种示例性实施例中，叉指单元的材料可以选用二维无机化合物，如MXene，MXene有着过渡金属碳化物的金属导电性，具有优越的光电特性；微米层3的材料可以选用无毒无害的钙钛矿材料，如铯铋碘(Cs3Bi2I9)，Cs3Bi2I9钙钛矿制备工艺简单，不需要真空高压等环境。
图2是图1所示的光电探测器的微米层在电子显微镜下扫描的局部照片。
如图2所示，铯铋碘的结晶质量高，可以形成均匀规则的六边形，有利于载流子传输。
在本公开的一些实施例中，衬底1可以选用双面绝缘材料，如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
详细地，如图1所示，电极层2包括两个基部和两个叉指单元，如用MXene制备的电极层2包括两个基部和两个叉指单元，分别标记为第一基部211、第二基部212、第一叉指单元221和第二叉指单元222。第一基部211与第二基部212相对设置，第一基部211与第一叉指单元221一体连接，第二基部212与第二叉指单元222一体连接。第一叉指单元221和第二叉指单元222的叉指相向延伸但未延伸至相向设置的基部上，第一叉指单元221和第二叉指单元222的叉指之间相互隔离，即属于不同叉指单元的叉指之间处于绝缘状态，例如，交替设置。进一步地，微米层3覆盖多个叉指单元的多个叉指，如，用铯铋碘材料制备的微米层3，覆盖在第一叉指单元221和第二叉指单元222的叉指上后，使得互相隔离的第一叉指单元221和第二叉指单元222通过铯铋碘连接，光电探测器形成电极层2-微米层3-电极层2(M-S-M)的模式。
图4是图1所示的光电探测器的能带形成原理示意图。
如图4所示，当有光束照射光电探测器时，如当紫外光照射光电探测器时，覆盖在各叉指上的铯铋碘微米层3吸收光信号产生电子-空穴对，在电压作用下，电子-空穴对发生分离，电子往第二叉指单元上转移222，空穴往第一叉指单元221上转移，电子与空穴向不同方向的转移产生电流变化，因此可以基于与光束照射前光电探测器的电流的变化，测得待测光束的信息。需说明的是，当照射不同的光束时，例如，具有不同波长或者不同功率的光束，产生电子-空穴对的数量不同，电流发生的变化不同，通过电流的变化，进一步判断待测光束的信息。
详细地，由于本光电探测器的微米层3和电极层2之间存在范德华力，可以产生新的层状耦合作用，消除了金属电极层和纳米层界面处化学无序、高缺陷态的缺点，避免费米能级钉扎效应，降低了暗电流，改善了光提取和光电流的收集。使本公开上述实施例的光电探测器具有优越的性能；进一步地，本公开实施例的光电探测器结构简单、制备容易、对环境友好，可以实现弱光监测、紫外光探测、有助于大规模实际商业化应用等。
图3是图1所示的光电探测器的微米层的紫外吸收光谱的曲线。
在一些实施例中，如图3所示，本光电探测器在所测试的200～1000纳米单色光范围内，微米层3的吸收突变边缘大约位于600纳米处，也就是说本光电探测器在200～600纳米单色光范围内均能稳定响应，具有较大的响应范围。
图5是图1所示的光电探测器的响应电流随光功率的变化的曲线
如图5所示，本公开实施例的光电探测器具有较高的响应度，如在31纳瓦每平方厘米下具有2.09安每瓦的响应度。
图6是图1所示的光电探测器的在405纳米、366.3微瓦每平方厘米光照下，在5伏偏压下，响应电流随时间变化的曲线。
如图6所示，本公开实施例的光电探测器在波长405纳米、功率为366.3微瓦每平方厘米的紫外光束的照射下，通过在电极层2的第一基部211和第二基部212上施加5伏的偏压，从图6所示的响应电流随时间变化曲线可以看出，本光电探测器工作状态稳定，具有良好的光电特性。
图7(a)和(b)是图1所示的光电探测器截取一个周期的响应电流随时间变化曲线。
在图7(a)和(b)中，将上升时间和衰减时间分别定义为响应电流从峰值的10％上升到90％(或从90％衰减到10％)所需的时间，图7a为响应电流随时间上升曲线，图7b为响应电流随时间衰减曲线。本光电探测器具有较快的响应速度，如上升和衰减的响应速度分别为79.74和84.28毫秒。
作为本公开的另一个方面的实施例，还提供了一种光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：选择一衬底；
S2：在所述衬底上制备电极层，所述电极层包括两个叉指单元，两个所述叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及
S3：在所述叉指单元上制备微米层，所述微米层覆盖所述叉指单元的叉指。
在本公开的一些实施例中，所述衬底在制备所述电极层前依次进行第一清洗处理和第二清洗处理，所述第一清洗处理为去污处理，所述第二清洗处理适用于提高所述衬底的亲水性。
在本公开的一些实施例中，所述微米层由铯铋碘溶液制成。
在本公开的一些实施例中，制备所述铯铋碘溶液的步骤包括：将碘化铯和碘化铋混合溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的混合溶液中；在60摄氏度条件下搅拌1小时，形成铯铋碘溶液；以及将配置好的铯铋碘溶液放置于氩气气体保护的手套箱中。
在本公开的一些实施例中，在所述叉指单元上制备所述微米层的步骤包括：将铯铋碘溶液以及已形成的衬底和电极层进行预热；以及将铯铋碘溶液旋涂覆盖在由MXene制备的电极层的叉指上。在本公开的一些实施例中，旋涂的速度为低速500转每分钟/5秒，高速3000转每分钟/30秒。
在本公开的一些实施例中，在制备所述微米层后在氩气气体保护的手套箱中进行退火处理。
在本公开的一些实施例中，选择衬底的步骤S1包括：
步骤1：取一衬底1，如双面绝缘聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底1，将PET衬底1裁剪为1厘米×0.5厘米大小方片；
步骤2：将裁剪后的PET衬底1依次放于丙酮、乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟再经高纯氮气吹干后备用为完成第一清洗处理，实现去除杂物、油污的效果；以及
步骤3：将上述PET衬底1放入玻璃培养皿中，用等离子体机清洗15分钟为完成第二次清洗处理，使PET衬底1表面更亲水，有助于溶液铺展形成膜，其中，清洗所用气体可以选择氮气。
在本公开的一些实施例中，在所述衬底上制备电极层2的步骤S2包括：步骤4：在经过第一次清洗处理和第二次清洗处理后的PET衬底1上，基于光刻技术，用MXene材料光刻电极层2。如图1所示，制备电极层2的工艺包括光刻第一叉指单元221和第二叉指单元222，两个叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘，各叉指之间的光刻间距可以为10微米。进一步地，可以光刻第一基部211和第二基部212，第一基部211与第二基部212相对设置，第一基部211与第一叉指单元221连接，第二基部212与第二叉指单元222连接，第一叉指单元221和第二叉指单元222的叉指相向延伸但未延伸至相向设置的基部上。
在本公开的一些实施例中，在所述叉指单元上制备微米层3的步骤S3包括：
步骤5：制备铯铋碘溶液，将0.7794克的碘化铯(CsI)粉末和1.1794克的碘化铋(BiI3)粉末混合溶于混合比例为1∶1、混合体积为2毫升的二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的混合溶液中，将混合后的溶液在60摄氏度条件下搅拌1小时得到1.5摩尔每升的铯铋碘溶液，将配置好的铯铋碘溶液放置于氩气气体保护的手套箱中；
步骤6：在手套箱氩气氛围中，将配好的铯铋碘溶液以及衬底1放在加热台上预热，用移液枪吸取配置好的铯铋碘溶液100微升均匀滴加在制备好的电极层2表面后，用匀胶机进行旋涂，其中，加热台温度为60摄氏度，旋涂的速度为低速500转每分钟/5秒、高速3000转每分钟/30秒；以及
步骤7：制备微米层3后，在氩气气体保护的手套箱中进行退火处理，其中，退火温度为90摄氏度，退火时间为30分钟。
详细地，通过本方法制备的光电探测器通过微米层3和电极层2之间的范德华力，可以消除金属-半导体界面化学无序、高缺陷态的缺点，可以避免深施主、费米能级钉扎效应，避免肖特基势垒宽度变窄的现象，从而降低反向隧穿电流；进一步地，通过本方法制备的光电探测器具有优异的光电性能，响应度可达7.24安培每瓦特，上升和衰减时间为79.74毫秒和84.28毫秒，且制备工艺简单、对环境友好，可以实现弱光监测、紫外光探测、大规模实际商业化应用等。
进一步地，通过本方法制备的微米层3结晶质量高，如图2所示，微米层3退火后可以观察到，微米层3由多个均匀规则的六边形单晶组成，单晶的边长在100纳米～20微米之间，且制备的工艺简单，不需要真空高压等环境，无毒无害，有利于环境的可持续发展。
进一步地，通过本方法制备的电极层2具有优秀的导电性，且电极尺寸小、工艺简单，可以实现大面积批量电极制备。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电探测器，包括：
衬底；
电极层，形成在所述衬底上，包括两个叉指单元，两个所述叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及
微米层，覆盖多个所述叉指单元的多个所述叉指，所述叉指单元的叉指与所述微米层之间基于范德华力结合。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述叉指单元的材料为MXene；
所述微米层的材料为铯铋碘。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述衬底包括聚对苯二甲酸乙二酯衬底。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述微米层包括多个六边形单晶，所示单晶边长包括100纳米～20微米。
5.一种如权利要求1至3中任一项所述的光电探测器的制备方法，包括：
S1：选择一衬底；
S2：在所述衬底上制备电极层，所述电极层包括两个叉指单元，两个所述叉指单元的多个叉指相向延伸并互相绝缘；以及
S3：在所述叉指单元上制备微米层，所述微米层覆盖所述叉指单元的叉指。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述衬底在制备所述电极层前依次进行第一清洗处理和第二清洗处理，所述第一清洗处理为去污处理，所述第二清洗处理适用于提高所述衬底的亲水性。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述微米层由铯铋碘溶液制成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，制备所述铯铋碘溶液的步骤包括：
将碘化铯和碘化铋混合溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的混合溶液中；
在60摄氏度条件下搅拌1小时，形成铯铋碘溶液；以及
将配置好的铯铋碘溶液放置于氩气气体保护的手套箱中。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其中，在所述叉指单元上制备所述微米层的步骤包括：
将铯铋碘溶液以及已形成的衬底和电极层进行预热；以及
将铯铋碘溶液旋涂覆盖在由MXene制备的电极层的叉指上；
优选地，旋涂的速度为低速500转每分钟/5秒，高速3000转每分钟/30秒。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，在制备所述微米层后在氩气气体保护的手套箱中进行退火处理。
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