CN116825878A - 一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面外p‑n结面内自发电极化二维体光伏材料及其制备方法和应用。所述二维体光伏材料由下至上依次为基底材料、Si层、SiO2层，BP层、MoS2层、封装层和电极层；所述Si层、SiO2层，BP层和MoS2层组成光伏层；所述BP层和MoS2层的扶手椅晶向平行。该二维体光伏材料基于各材料层的协同作用，利用BP层和MoS2层之间特殊的沉积角度，产生体光伏效应，进而产生位移电流，突破肖特利‑奎伊瑟光电转换极限，基于所提供的二维体光伏材料所制备的光电探测器，有效的将面外的光伏效应与面内的体光伏效应相结合，产生了多维度电极化，具有高偏振度的近红外响应以及超快的响应速度，实现高效光电探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维体光伏材料，具体涉及一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法及其应用，属于光电探测技术领域。
背景技术
自驱动的光电探测器，无需外部电源供给，以其低能耗、可持续等特点成为现代通信和传感系统的关键组成元件，广泛应用于各种日常生活及军事领域。自驱动光电探测器设计目前主要基于两类典型的探测机制，根据其中的物理过程可以分为热型光电探测器以及光子型光电探测器。然而，热型光电探测器中光热电效应将使沟道材料晶格温度升高，其响应时间通常在秒量级，严重限制高频器件的发展应用。光子型光电探测器对入射光子能量存在探测限制，入射能量过低的光子无法被利用，而入射能量过高的光子将转化为热载流子，从而存在转化效率上限的问题。
利用体光伏效应进行光电转化，被认为是一种更为先进的科学手段。体光伏效应是一个二阶的非线性光电转化过程，它的电流密度j来自于材料体光伏系数β ilm与入射光偏振单位向量E l 和E*m的乘积，因此产生过程中不需要外部电场或内部非均匀结构的形成，而是要求材料自身对称性的打破。总的体光伏电流密度j = jsh +jb，由位移电流jsh及弹道电流jb两个不同的物理过程的贡献。体光伏效应最早于上世纪80年代在氧化物钙钛矿体材料中被广泛研究，如钛酸钡（BaTiO3）等铁电体产生体光伏位移电流时其外量子效率可以超过肖克利-奎伊瑟极限的限制，展现出具大潜力；然而，由于传统的钙钛矿氧化物通常是带隙较大的绝缘体，它们拥有较小的载流子迁移率，使其在光电探测的应用上受到了很大的限制。此外，受目前低维纳米科技发展的影响，集成化及多功能化光电探测器是重要发展趋势。传统的氧化物钙钛矿材料由共价键或离子键结合，需要严格的晶格匹配，在其厚度减薄过程中受退极化场的影响难以保持自身的电极化，体光伏效应形成受到限制。
二维半导体材料，由于其表面不含任何悬挂键，降低了缺陷对电子的散射，保证器件微缩后高迁移率带电载流子的自由传输。结构上，其层间由范德瓦尔斯键结合，其极易通过机械剥离并堆叠形成具有特殊取向的多层结构或异质结，从而打破材料自身的对称性产生面外或面内的自发电极化。最为重要的是，二维半导体材料具有丰富导电类型，构建形成的异质结构易于进行能带排列调控，这进一步赋予了其对于极化自由度的调控。目前基于二维体光伏效应的光电器件已有部分报道，其研究结果反映出二维半导体材料由于厚度方向上的量子限域效应，载流子收集宽度可以小于体光伏效应中载流子的平均自由程，从而产生的光电流相比于体材料有进一步的提升。然而，受限于体光伏效应在低维半导体材料中的理解，构建基于二维半导体材料的体光伏光电探测器尚属于起步阶段。同时由于二维半导体材料带隙多处于可见光范围，对于近红外波段光源具有响应的体光伏光电探测器尚未存在报道。因此，构筑可以打破肖克利-奎伊瑟极限，具有高的光电转化效率的近红外二维体光伏光电探测器现今任然是一个急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料，该二维体光伏材料基于各组分材料层的协同作用，利用BP层和MoS2层之间特殊的沉积角度，产生体光伏效应，进而产生位移电流，并且由于BP层和MoS2层之间即形成了面外p-n结结构，又具有面内自发电极化效应，因此该材料的光电转化效率得到大幅提升，突破肖特利-奎伊瑟光电转换极限限制。
本发明的第二个目的在于提供一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，该制备方法首先确定BP和MoS2的晶向结构，再通过沉积法逐层沉积，保证了各层沉积角度准确的按照设定要求实施，转移过程均采用干法转移，所得前驱体具有质量稳定，良品率高，稳定性好等优点，便于大规模工业化生产。
本发明的第三个目的在于提供一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的应用，用于制备宽波段快速响应光伏光电探测器。基于所提供的二维体光伏材料所制备的光电探测器，有效的将面外的光伏效应与面内的体光伏效应两种不同的光电流产生机理相结合，产生了多维度电极化，不仅拓宽了激发光的波长，还有效降低了入射光的能量要求，大幅提升了探测器的波段宽度和响应速率，经测试，本发明所提供的光电探测器的激发光波长为400~1000nm，本征响应速率可低至26ps，在低入射光强照射下，其线偏振光各向异性探测比率高达8，具有优异的综合性能。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料，所述二维体光伏材料由下至上依次为基底材料、Si层、SiO2层，BP层、MoS2层、封装层和电极层；所述Si层、SiO2层，BP层和MoS2层组成光伏层；所述BP层和MoS2层的扶手椅晶向（Armchair direction）平行。当BP层和MoS2层两层材料按晶体取向对齐后，会形成一个对称镜面（mirror plane），这两层材料接触面则是按照扶手椅晶向取向。
作为一项优选的方案，所述MoS2层为单层结构，BP层为5~50nm的复合层结构。进一步优选，所述MoS2层为单层结构，厚度为0.6~0.9nm，BP层为5~15nm的复合层结构。
作为一项优选的方案，所述封装层上还设有电极模板，所述电极模板上开设的沟道与光伏层的扶手椅晶向平行。
本发明还提供了一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，采用PDMS胶带机械剥离BP和MoS2，并分别确定BP和MoS2的扶手椅晶向；将确定好的BP和MoS2按照晶向平行角度依次转移到沉积SiO2的Si沉底上，并进行退火处理，得到异质结前驱体；向异质结前驱体涂覆PMMA，通过电子束曝光制作电极模板并沉积金属源漏电极，即得。
作为一项优选的方案，所述退火处理的条件为：真空度为0.8~1.2×10-4Pa，温度为150~180℃，时间为1~2h。退火处理可以增强材料的异质结层间界面耦合，确保材料面内自发电极化形成。
作为一项优选的方案，所述电极模板上开设有沟道，沟道的宽度为3~7μm。
作为一项优选的方案，所述光伏材料还需经溶剂对残余PMMA进行剥离处理，所述溶剂为丙酮和/或异丙酮。
作为一项优选的方案，所述PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，Poly methyl-2-methylpropenoat）的厚度为500~700nm。
作为一项优选的方案，所述金属源漏电极为Cr、Ag、Au、Pt、Cu和Al中的至少一种，其厚度为40~90nm。
作为一项优选的方案，所述金属源漏电极为Cr-Ag电极，Cr的厚度为5~10nm，Au的厚度为40~60nm。
本发明还提供了一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的应用，用于制备宽波段快速响应光伏光电探测器。该二维光电探测器基于二硫化钼（MoS2）、黑磷（BP）垂直结构，具有高偏振度的近红外响应以及超快的响应速度，该光电探测器结合面外光伏效应及面内体光伏效，产生位移电流，从而可以打破肖特利-奎伊瑟光电转换极限，实现高效光电探测。
作为一项优选的方案，所述光电探测器的激发光波长为400~1000nm，响应速度约为23 ns，3dB带宽可达11.5 MHz，本征响应速度为20~60ps，体光伏系数为0.5~0.7V-1。
相对于现有技术，本发明技术方案的有益技术效果为：
1）本发明所提供的二维体光伏材料基于各组分材料层的协同作用，利用BP层和MoS2层之间特殊的沉积角度，形成扶手椅晶向平行，产生体光伏效应，进而产生位移电流，并且由于BP层和MoS2层之间即形成了面外p-n结结构，又具有面内自发电极化效应，因此该材料的光电转化效率得到大幅提升，突破肖特利-奎伊瑟光电转换极限限制。
2）本发明所提供的制备方法中，首先确定BP和MoS2的晶向结构，再通过沉积法逐层沉积，保证了各层沉积角度准确的按照设定要求实施，转移过程均采用干法转移，所得前驱体具有质量稳定，良品率高，稳定性好等优点，便于大规模工业化生产。
3）本发明所提供的技术方案中，基于所提供的二维体光伏材料所制备的光电探测器，有效的将面外的光伏效应与面内的体光伏效应两种不同的光电流产生机理相结合，产生了多维度电极化，不仅拓宽了激发光的波长，还有效降低了入射光的能量要求，大幅提升了探测器的波段宽度和响应速率，经测试，本发明所提供的光电探测器的激发光波长为400~1000nm，响应速度约为23 ns，3dB带宽可达11.5MHz，本征响应速率可低至26ps，在低入射光强照射下，其线偏振光各向异性探测比率高达8，具有优异的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1所得探测器的制作流程示意图；
图2为实施例1所得探测器的结构示意图；
图3为实施例1所得探测器中BP和MoS2的晶型测试图；
其中，a为确定实施例1中MoS2扶手椅晶相所采用的偏振二次谐波测试结果；b为确定实施例1中BP扶手椅晶相所采用的偏振拉曼测试结果；
图4为实施例1所得探测器中BP和MoS2的原子力显微镜线扫提取结果；
其中，a为实施例1中BP原子力显微镜线扫提取结果；b为实施例1中MoS2原子力显微镜线扫提取结果；
图5为证明实施例1所得探测器MoS2、BP产生面外p-n结的结果；
其中，a为实施例1所得探测器MoS2、BP异质结开尔文探针显微镜测试结果；
b为实施例1所得探测器MoS2、BP异质结能带色散结果；c为实施例1所得探测器MoS2、BP在形成异质结前后具体的相对能带排列；
图6为实施例1所得探测器体光伏光电探测器在探针台上短路电流测试结果；
图7为实施例1所得探测器的性能测试图；
其中，a为实施例1体光伏光电探测器的光学照片；b为实施例1体光伏光电探测器在780 nm激发光照射下连接平行于面内电极化方向的电极1~2扫描光电流测试结果；c为实施例1体光伏光电探测器在780 nm激发光照射下连接垂于于面内电极化方向的电极3~4扫描光电流测试结果；
图8为实施例1光电探测器在780 nm激发光照下连接电极1-2测试所获得的体光伏电流响应时间结果；
其中，a为实施例1通过锁相放大器测试获得的光电流衰减时间；b为a的数据在双对数坐标下的拟合结果；c为a的数据进行傅里叶变换后计算出的3 dB探测带宽结果；
图9为实施例1所得光电探测器的时间分辨光电流测试结果；
图10为对比例1所得光电探测器在探针台上短路电流测试结果；
图11为对比例1所得探测器的性能测试图；
其中，a为对比例1光电探测器的光学照片；b为对比例1光电探测器在780nm激发光照射下连接平行于面内电极化方向的电极1~2扫描光电流测试结果；c为对比例1光电探测器在780nm激发光照射下连接垂于于面内电极化方向的电极3~4扫描光电流测试结果；
图12为对比例2所得光电探测器的性能测试图；
其中，a为对比例2体光伏光电探测器的光学照片；b为对比例2体光伏光电探测器在探针台上短路电流测试结果；
图13为对比例2中体光伏光电探测器在高于WSe2带隙能量激发时测试获得的时间分辨光电流测试结果；
图14为实施例1所得探测器的光电流偏振大小测试图；
其中，a为探测器对不同角度入射线偏振光产生光电流的强度极化图。极化图中的角度定义为入射线偏振光电场方向与光电探测器扶手椅晶相的夹角；b为探测器产生光电流的各向异性极化度随入射光功率的关系图。其中光电流的各向异性极化度定义为a中椭圆长轴与短轴的比值；
图15为实施例1和对比例2所得探测器的体光伏系数测试图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照具体的实施案例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，而不在于限制本发明。
实施例1
本发明面外p-n结面内自发电极化二维体光伏光电探测器的制备流程如图1所示。将200 nm SiO2 的Si衬底切为10mm×10mm的小片，首先放在丙酮中浸泡，在超声中清洗15min，然后放在异丙醇中浸泡，在超声中清洗15min，最后放在去离子水中浸泡，在超声中清洗15min。清洗结束后，用氮气气枪吹干200nm SiO2 的Si衬底小片。利用PDMS和思高胶带机械剥离特定厚度范围内的BP、MoS2，利用角向拉曼光谱及偏振二次谐波光谱分别确定BP、MoS2的扶手椅晶向，将已经剥离好的BP、MoS2以扶手椅晶向平行角度依次转移至表面沉积200 nm厚度SiO2 的Si衬底上，其中MoS2厚度为单层0.7nm，BP厚度为15nm。将制备好的异质结置于管式炉中，在温度180℃、真空度2×10-4Pa环境下退火2小时，退火后令管式炉自然降温至室温。
图5是开尔文探针测试获得的MoS2/BP垂直异质结的表面电势分布及能带色散模拟分析。结合二者的具体结果可以给出单层MoS2与BP形成异质结前后的相对能带排列情况，其中在形成异质结前单层MoS2较BP的费米能级高80mV，而形成异质结后费米能级拉平，异质结表现出明显的p-n结特征。将退火处理后的样品至于匀胶机，并旋涂一层600 nm厚的PMMA，以低速2000 r/s和高速4000 r/s连续匀胶3秒和60秒，匀好胶的样品随后至于加热台160℃烘烤5分钟使PMMA完全干燥。利用电子束曝光在样品上制作沟道方向平行于异质结扶手椅方向的电极，沟道宽度为5 μm，然后浸泡于显影液中18秒，除掉曝光处的PMMA。将曝光好的样品至于热蒸发样品台，在2×10-4 Pa的真空度下连续蒸镀5 nm Cr及50 nm Au，蒸镀过程中保证样品台温度不超过80℃。将蒸好电极的样品在丙酮溶液中浸泡2小时进行剥离，随后取出放入异丙醇中洗掉残余丙酮溶液，用氮气气枪吹干残余异丙醇，即得。
由上述方法制得的基于BP、MoS2垂直异质结构的具有超快光响应的近红外体光伏光电探测器， BP、MoS2之间形成良好接触产生面外p-n结与面内电极化，BP、MoS2与金属之间形成良好欧姆接触。
进一步的，本实施例还进一步的对所得样品进行了一系列测试，图6是在探针台上施加低于MoS2带隙能量的980nm光照的测试结果，其反映出样品存在自发形成的体光伏电流，大小约80 nA。图7是MoS2/BP体光伏探测器在低于MoS2带隙能量的780 nm激光激发下的扫描光电流成像结果。如图7b所示，当连接平行于扶手椅晶向的电极1~2时，光电流出现于整个异质结区，且远离电极处增强，反映出面内电极化贡献的体光伏位移电流响应；如图7c所示，当连接垂直于扶手椅晶向的电极3~4时，光电流仅出现于电极处，反映出不存在面内电极化的方向上仅有肖特基势垒贡献的普通光伏电流响应，且其相比于连接电极1~2时产生的体光伏电流响应度低一个数量级。图8为780 nm激光激发器件通过锁相放大器测试获得的探测器响应时间。其中直接计算产生光电流的衰减（90%~10%，图8a）或指数拟合光电流衰减（图8b）都反映出光电探测器的响应时间约为23 ns，而将光电流衰减进行傅里叶变换所得的结果反映出光电探测器的3 dB带宽约11.58 MHz。图9为780 nm激光激发器件的时间分辨光电流测试结果，可以看出该探测器的本征响应时间约26 ps。低于MoS2带隙的纳秒量级响应速度及皮秒量级本征响应速度表明器件具有近红外光响应，主要基于Ⅱ型能带排列面外p-n结及面内电极化的协同效应。
实施例2
本实施例的制备方法与实施例1完全相同，其不同之处在于：BP厚度为5nm，所得探测器的本征响应时间为12 ps。
实施例3
本实施例的制备方法与实施例1完全相同，其不同之处在于：BP厚度为35nm，所得探测器的本征响应时间为57 ps。
对比例1
和实施例1相比，本对比例将BP、MoS2异质结间的扶手椅晶向夹角调整为45°不再平行，主要对比器件面内电极化的光电流响应行为，具体如下：
和实施例1相比区别在于，利用PDMS和思高胶带机械剥离特定厚度范围内的BP、MoS2，利用角向拉曼光谱及偏振二次谐波光谱分别确定BP、MoS2的扶手椅晶向后，将已经剥离好的BP、MoS2以扶手椅晶向呈45°角度依次转移至表面沉积200 nm厚度SiO2 的Si衬底上。
如图10所示，探针台980 nm光照测试显示，当BP和MoS2的扶手椅晶向呈45°角度时，无法形成面内自发电极化，因此器件不存在自发形成的体光伏电流。图11是对应光电探测器在780 nm激光激发的扫描光电流成像结果。此时无论连接平行于黑磷扶手椅方向的电极1~2或者垂直于黑磷扶手椅方向的电极3~4，光电流仅出现于电极处来源于肖特基势垒的贡献，而结区不存在体光伏位移电流。
对比例2
本对比例与实施例1制备过程完全一致，不同之处在于，本对比例将单层MoS2替换成单层WSe2，主要对比器件不存在面外p-n结时的光电流响应行为，
如图12所示，探针台980 nm光照测试显示，当两层材料扶手椅晶向平行时，WSe2/BP器件由于不存在面外的p-n结，异质结无法产生低于单层WSe2带隙的体光伏电流，故对近红外980 nm的激发光无法产生响应。
通过实施例1和对比例1可知，面内电极化对器件的自发光电流响应具有重要影响。只有当六方晶系的MoS2与四方晶系的BP扶手椅晶向平行时，异质结的旋转对称性才能被打破形成体光伏位移电流，产生红外光响应。
通过实施例1和对比例2可知，面外p-n结对器件的自发光电流响应具有重要影响。当仅存在面内电极化而不存在面外p-n结时，无法产生低于过渡金属硫化物带隙的非线性光电导以形成体光伏位移电流，产生红外光响应。
进一步的，本发明还对比例2所得产品进行了780 nm激光激发器件的时间分辨光电流测试，测试结果如图13所示，通过图13可知，对比例2所得探测器的本征响应时间约1ns，其本征响应时间较实施例1所得探测器测试结果慢50倍，通过图14可知，实施例1所得探测器的在0.36μW下，其线偏振光各向异性探测比率高达8，约为对比例2的3倍。
本发明还对实施例1和对比例2进行了体光伏系数测试，测试结果如图15所示。体光伏效应是一种在中心反演对称性破缺的材料中产生的自发光电流响应，其电流密度j可以描述为：
j i= β ilm E l E * m I，
其中，E l 和E * m 是入射光不同偏振方向的单位向量，I是光照强度，β ilm称体光伏系数，它是一个三阶张量。在光照强度相同的情况下，材料产生的体光伏电流密度由体光伏系数决定。通过图15可知，本发明实施例1所得探测器的体光伏系数相较于对比例2所得探测器约为其2倍，进一步证明本发明所得探测器的光电转化性能优于对比例2所得探测器。
由此可知，只有在本发明所提供的技术方案中才能够实现样品的顺利制备，若不按照本发明工艺要求进行操作，最终产品的各项性能均会受到一定程度的不良影响。
Claims (10)
1.一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料，其特征在于：所述二维体光伏材料由下至上依次为基底材料、Si层、SiO2层，BP层、MoS2层、封装层和电极层；所述Si层、SiO2层，BP层和MoS2层组成光伏层；所述BP层和MoS2层的扶手椅晶向平行。
2.根据权利要求1所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料，其特征在于：所述MoS2层为单层结构，BP层为5~50nm的复合层结构。
3.根据权利要求1所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料，其特征在于：所述封装层上还设有电极模板，所述电极模板上开设的沟道与光伏层的扶手椅晶向平行。
4.权利要求1~3任意一项所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，其特征在于：采用PDMS胶带机械剥离BP和MoS2，并分别确定BP和MoS2的扶手椅晶向；将确定好的BP和MoS2按照晶向平行角度依次转移到沉积SiO2的Si沉底上，并进行退火处理，得到异质结前驱体；向异质结前驱体涂覆PMMA，通过电子束曝光制作电极模板并沉积金属源漏电极，即得。
5.根据权利要求4所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，其特征在于：所述退火处理的条件为：真空度为0.8~1.2×10-4Pa，温度为150~180℃，时间为1~2h。
6.根据权利要求4所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，其特征在于：所述电极模板上开设有沟道，沟道的宽度为3~7μm。
7.根据权利要求4所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，其特征在于：所述光伏材料还需经溶剂对残余PMMA进行剥离处理，所述溶剂为丙酮和/或异丙酮。
8.根据权利要求4所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的制备方法，其特征在于：所述金属源漏电极为Cr、Ag、Au、Pt、Cu和Al中的至少一种，其厚度为40~90nm。
9.权利要求1~3任意一项所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的应用，其特征在于：用于制备宽波段快速响应光伏光电探测器。
10.根据权利要求9所述的一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料的应用，其特征在于：所述光电探测器的激发光波长为400~1000nm，本征响应速度为20~60ps，体光伏系数为0.5~0.7V-1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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