CN115360259A - 硒化镍钽/硒化钨异质结光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硒化镍钽/硒化钨异质结光电探测器及其制备方法。所述的异质结光电探测器自下而上依次为衬底、Ta2NiSe5薄片、WSe2薄片和金属源、漏电极，通过先在衬底上制备Ta2NiSe5薄片，在此基础上转移WSe2薄片至Ta2NiSe5表面，两种半导体通过范德华力结合，形成范德华异质结，再制备金属源漏电极，形成范德华异质结光电探测器。本发明通过构建异质结，使得其在光照条件下产生的电子与空穴在异质结处迅速分离，能够有效降低暗电流，显著提高所制备的光电探测器的响应度和探测率。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，涉及一种硒化镍钽/硒化钨(Ta2NiSe5/WSe2)异质结光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种能够将光信号转换成电信号的电子器件，是光电系统的重要组成部分。随着信息时代的到来，光电设备已经融入了人们生活的方方面面：从智能手机等便携的电子设备的相机系统，到汽车上的行车记录和倒车影像；从医院的医学成像检测，到公共场所的安防监控；从气象卫星的天气预报，到卫星地图导航等等。除了日常生活之外，光电探测器在农业、工业、天文学、航天遥感等领域也有着重要应用。光电探测器作为光电设备的核心部件，它的研究与应用不断地推动科学技术的发展。
过渡金属硫族化物(TMDs)作为一种新型的二维层状材料，其层与层之间通过范德华力结合而成。相比于其他块状材料，这些独特的二维材料具有优异的电学性质、光学特性以及机械强度等。和传统的硅基器件相比，二维材料光电器件为满足日益增长的电子市场需求提供了新的思路，成为各种光电子器件的候选者，包括太阳能电池、光电探测器、发光二极管和光电晶体管。
硒化镍钽(Ta2NiSe5)是一种新型的直接带隙约为0.33eV的二维层状半导体。与许多过渡金属硫族化合物不同的是，Ta2NiSe5的带隙不随层数增加由直接带隙转变为间接带隙，而是一直保持着直接带隙的特性。这种独特的电子学结构特性使其能够同时获得高载流子浓度和高光吸收效率。然而，单个Ta2NiSe5基光电探测器的实际应用受到了暗电流大，无内建电场导致的光生电子空穴对的分离效率低、光探测能力低等问题的阻碍，限制了其在光电探测器领域的进一步应用。张等人为了降低器件的暗电流，将Ta2NiSe5与硒化镓(GaSe)复合，有效地抑制了暗电流。然而，由于GaSe较大的带隙(2.1eV)，在可见光范围光吸收弱，制备的异质结光电探测器仍然存在响应度、探测率较低等问题(Zhang,Y.,et al.,Two-Dimensional Ta2NiSe5/Gase Van Der Waals Heterojunction for UltrasensitiveVisible and near-Infrared Dual-Band Photodetector.Applied Physics Letters2022,120.)。
发明内容
为解决现有的单个Ta2NiSe5光电探测器的暗电流大、响应度及探测率低等问题，本发明提供一种硒化镍钽/硒化钨(Ta2NiSe5/WSe2)异质结光电探测器及其制备方法。
本发明所述的Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器，自下而上依次为：衬底、Ta2NiSe5薄片、WSe2薄片、金属源电极、金属漏电极，WSe2薄片位于Ta2NiSe5薄片上方且与Ta2NiSe5薄片部分交叠。
本发明所述的衬底为本领域常规使用的衬底材料，包括刚性衬底或柔性衬底。刚性衬底为表面设置二氧化硅绝缘层的硅衬底、石英玻璃、蓝宝石和云母等。柔性衬底为聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
本发明所述的Ta2NiSe5薄片的厚度为1nm～100nm。
本发明所述的WSe2薄片的厚度为1nm～100nm。
本发明所述的金属源电极和金属漏电极均为本领域常规使用的金属源电极和金属漏电极，为Cr、Ti、Ni、Au、Pd、Pt和Ag中的一种或者多种的组合，其厚度为5nm～50nm。
在本发明具体实施方式中，采用的金属源电极为Cr/Au，金属漏电极为Pd。
本发明所述的Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗衬底10～20min，并用氮气吹干；
步骤2：采用机械剥离转移方法将底层二维半导体Ta2NiSe5薄片转移至衬底表面；
步骤3：采用机械剥离转移方法将顶层二维半导体WSe2薄片转移至PDMS衬底上；
步骤4：通过微机械转移平台，将步骤3制备的WSe2薄片从PDMS衬底转移到步骤2制备的Ta2NiSe5薄片上，使其部分堆叠；
步骤5：定义电极图案，在衬底上制备金属源电极和金属漏电极，形成Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器。
步骤5中，利用紫外光刻技术、电子束曝光技术或激光直写技术定义电极图案，结合热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射及lift-off工艺制备金属源电极和金属漏电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明利用二维范德华材料无表面悬挂键的特点制备的Ta2NiSe5/WSe2二维半导体异质结光电探测器，不仅抑制了器件无光下的暗电流，还提高了单个器件光响应度和探测率。
附图说明
图1是Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器的结构示意图。
图2是Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器的光学显微图。
图3是单一Ta2NiSe5光电探测器在532nm光照射下的光谱响应曲线。
图4是Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器在532nm光照射下的光谱响应曲线。
图5是Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器在不同光照条件下的响应度和探测率曲线。
图6是Ta2NiSe5与不同二维材料构建的异质结器件在无光下的输出曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。
图1是Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器的结构示意图，自下而上依次包括：衬底1、Ta2NiSe5薄片2、WSe2薄片3、金属源电极4、金属漏电极5，WSe2薄片位于Ta2NiSe5薄片上方且与Ta2NiSe5薄片部分交叠。
实施例1
本实施例中Ta2NiSe5薄片的厚度约为30nm，WSe2薄片的厚度约为30nm。
本实施例制备的异质结光电探测器中，衬底为Si/SiO2；金属源电极为Cr/Au，其厚度为Cr：3nm，Au：50nm；金属漏电极为Pd，其厚度为50nm。
具体步骤如下：
1.Ta2NiSe5薄片制备及转移
(1)将裁好的氧化硅片(1cm×1cm)作为衬底，放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声10min，然后用氮气枪吹干备用；
(2)Ta2NiSe5薄片通过机械剥离的方法获得：首先在scotch tape上放置少许的Ta2NiSe5单晶，将胶带反复对折粘贴5～6次，然后将Schott蓝色胶带覆盖scotch tape上，样品进一步转移到蓝色胶带上，最后将蓝色胶带上的Ta2NiSe5薄片转移至SiO2衬底上，并挑选一定厚度的Ta2NiSe5薄片备用。
2.WSe2薄片制备及转移
利用如上所述的相同的方法利用胶带的黏附力制备不同厚度的WSe2薄片，将其紧密粘附在0.5mm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜上，利用PDMS与WSe2之间的黏附力大于WSe2层间的黏附力，从而将WSe2薄片剥离在PDMS膜上。
3.二维范德华异质结Ta2NiSe5/WSe2的制备
(1)将PDMS上没有WSe2的一侧粘至载玻片的上表面，将载玻片有WSe2薄片的PDMS一侧朝下，安装在显微镜辅助的微机械转移平台上，
(2)在显微镜视野下，找到之前选取的Ta2NiSe5薄片以及WSe2薄片，将两者对准，慢慢转动旋钮并不断及时调整两者位置，使两者不断贴近，
(3)当在同一视野下，Ta2NiSe5薄片以及WSe2薄片都能清晰看见时，将衬底加热至70℃左右，停止加热并进一步转动旋钮，使两者其紧密接触，再将衬底继续加热至80℃，等待4～5min。升起载玻片，将PDMS膜抬起，获得范德华异质结Ta2NiSe5/WSe2。
4.二维范德华异质结Ta2NiSe5/WSe2光电探测器的制备
(1)将上述制备的范德华异质结通过匀胶机旋涂光刻胶PMMA，并在150℃下加热5分钟；利用VegaTC软件设计源极图形；并利用电子束曝光系统对源电极图案进行精准定位曝光，然后显影和定影；
(2)利用电子束蒸镀技术沉积3nm Cr和50nm Au；然后在丙酮中清洗，去除光刻胶，再用氮气枪吹干，制备出源电极。
(3)重复步骤(1)，将范德华异质结旋涂光刻胶PMMA并加热；利用软件设计漏电极图案并对图案曝光，然后显影和定影；
(4)利用电子束蒸镀技术沉积50nm Pd；然后在丙酮中清洗，去除光刻胶，再用氮气枪吹干，形成Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器，如图2所示。
5.二维范德华异质结Ta2NiSe5/WSe2异质结光电性能测试
对制备的异质结进行电学性能测试，其输出曲线显示，相比单一的Ta2NiSe5二维半导体探测器，该器件结构显示出更低的暗电流(图4)，降低了约102倍。用532nm波长的激光照射样品，测试其光电性能。相比于单一的Ta2NiSe5二维半导体光电探测器，可以看出该器件的响应时间明显缩短，上升、下降时间均为0.4s(图3，图4)，显示出较快的响应速度。结果说明通过二维Ta2NiSe5和WSe2堆叠形成的范德华异质结，有效地抑制了暗电流，改善了单个材料响应时间长的问题。此外，从图5中可以看出器件在24mW/cm2光功率密度下，显示出较高的响应度(556A/W)与探测率(1.024×1012Jones)，极大的提高了光电探测器的性能。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是将WSe2薄片替换成其他二维半导体材料AsP、MoS2。将Ta2NiSe5与不同材料构建异质结，并测试其输出性能(图6)，相较于其他两种材料，Ta2NiSe5和WSe2形成的异质结，在正偏压下，对暗电流的抑制效果最佳，暗电流为1.46μA(源漏电压为+1V时)。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此相关人员可在本发明技术范围内进行多样的变化及修改，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理涵盖在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器，其特征在于，自下而上依次为：衬底、Ta2NiSe5薄片、WSe2薄片、金属源电极、金属漏电极，WSe2薄片位于Ta2NiSe5薄片上方且与Ta2NiSe5薄片部分交叠。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的衬底为刚性衬底或柔性衬底。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，刚性衬底为表面设置二氧化硅绝缘层的硅衬底、石英玻璃、蓝宝石或云母；柔性衬底为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的Ta2NiSe5薄片的厚度为1nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的WSe2薄片的厚度为1nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的金属源电极或金属漏电极选自Cr、Ti、Ni、Au、Pd、Pt和Ag中的一种或者多种的组合。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的金属源电极或金属漏电极的厚度为5nm～50nm。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，采用的金属源电极为Cr/Au，金属漏电极为Pd。
9.根据权利要求1～8任一所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗衬底10～20min，并用氮气吹干；
步骤2：采用机械剥离转移方法将底层二维半导体Ta2NiSe5薄片转移至衬底表面；
步骤3：采用机械剥离转移方法将顶层二维半导体WSe2薄片转移至PDMS衬底上；
步骤4：通过微机械转移平台，将步骤3制备的WSe2薄片从PDMS衬底转移到步骤2制备的Ta2NiSe5薄片上，使其部分堆叠；
步骤5：定义电极图案，在衬底上制备金属源电极和金属漏电极，形成Ta2NiSe5/WSe2异质结光电探测器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤5中，利用紫外光刻技术、电子束曝光技术或激光直写技术定义电极图案，结合热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射及lift-off工艺制备金属源电极和金属漏电极。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118099262A (zh) * | 2024-04-10 | 2024-05-28 | 国科大杭州高等研究院 | 一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用 |
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2022
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