CN117626194A - 二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117626194A CN117626194A CN202311420625.9A CN202311420625A CN117626194A CN 117626194 A CN117626194 A CN 117626194A CN 202311420625 A CN202311420625 A CN 202311420625A CN 117626194 A CN117626194 A CN 117626194A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- ternary alloy
- silicon
- substrate
- palladium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 123
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 title claims abstract description 104
- 239000011669 selenium Substances 0.000 title claims abstract description 100
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 48
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 20
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 88
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 88
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 12
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Substances [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 160
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 128
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 123
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 106
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 61
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 53
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 52
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 claims description 19
- JRTYPQGPARWINR-UHFFFAOYSA-N palladium platinum Chemical compound [Pd].[Pt] JRTYPQGPARWINR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 14
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 230000004044 response Effects 0.000 description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 229910001325 element alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- DGJPPCSCQOIWCP-UHFFFAOYSA-N cadmium mercury Chemical compound [Cd].[Hg] DGJPPCSCQOIWCP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000004298 light response Effects 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000783 metal toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- MUJIDPITZJWBSW-UHFFFAOYSA-N palladium(2+) Chemical compound [Pd+2] MUJIDPITZJWBSW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- -1 platinum ion Chemical class 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明提供了一种二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用。所述二维硒基三元合金纳米薄膜为PdxPt1‑xSe2三元合金薄膜，其结合管式炉套管法和CVD法制备大面积均匀性和一致性良好的PdxPt1‑xSe2三元合金纳米薄膜，该三元合金薄膜具有良好的光电转化性能、电导率和稳定性；如此，构建PdxPt1‑xSe2三元合金与硅异质结型红外探测器，可以实现稳定性高、开关比高、制备成本低、宽波段、高灵敏红外光伏传感器，使其在光电子领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件，其工作原理基于光电效应，即光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象。红外光电探测器具有感应精度高、信号传输速度快、非接触等优点，被广泛应用于气体分析、环境监测，安防监测等领域。
目前已经商业化的红外光电探测器主要由铟镓砷、碲镉汞和其他含铅半导体等材料制备，但是目前这类探测器存在明显缺点，如：重金属毒性、价格昂贵、制备工艺复杂、低温工作环境及高能耗等，这阻碍了他们的进一步应用。二维材料由于具有较强的光-物质相互作用，高的载流子迁移率和独特的电学、光学特性等，近年来受到了广泛关注。但是二维材料受到当前器件制备方法及生产技术的限制，生产效率低，质量水平波动较大，薄膜生长均匀性较差，导致异质结器件个体差异较大，稳定性低，难以实现器件的规模化生产与应用。
因此，需要进一步研究挖掘，发现新材料、新工艺方法、新器件结构等，将二维材料红外探测器推向更广的应用。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术存在的问题，本发明主要提供一种二维硒基三元合金纳米薄膜：PdxPt1-xSe2三元合金薄膜，并结合管式炉套管法和CVD法制备大面积均匀性和一致性良好的PdxPt1-xSe2三元合金薄膜，该三元合金薄膜具有良好的光电转化性能、电导率和稳定性；如此，构建PdxPt1-xSe2三元合金与硅异质结型红外探测器，可以实现稳定性高、开关比高、制备成本低、宽波段、高灵敏红外光伏传感器，使其在光电子领域具有广阔的应用前景。
本发明第一方面提供一种二维硒基三元合金纳米薄膜，其中，它为PdxPt1-xSe2(钯铂硒)三元合金纳米薄膜，主要是结合管式炉套管法和CVD法制备。
优选地，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的厚度为20-30 nm。
本发明第二方面提供一种上述二维硒基三元合金纳米薄膜的制备方法，包括步骤：
合成钯铂薄膜：采用磁控溅射法在生长基底上形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
合成三元合金薄膜：先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再采用CVD法在所述生长基底上制备PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜。
本发明的第三方面提供一种二维硒基三元合金与硅异质结型红外探测器，包括硅基底和二氧化硅层，所述二氧化硅层层叠设置在所述硅基底的上表面，且所述硅基底的上表面部分裸露，所述硅基底的下表面设置第一金属电极，所述硅基底和二氧化硅层的上表面均平铺上述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面设置第二金属电极，使得所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分和第二金属电极形成欧姆接触，另一部分和所述硅基底的上表面裸露部分接触形成异质结。
本发明的第三方面提供一种上述异质结型红外探测器的制备方法，包括步骤：
（1）提供一生长基底，该生长基底由硅基底和层叠设置在所述硅基底的上表面的二氧化硅层组成，且所述硅基底的上表面的部分裸露；
（2）采用磁控溅射法在所述生长基底的上表面形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
（3）先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再将采用CVD法，在所述生长基底上形成一PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，使所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分平铺在所述二氧化硅层上，另一部分平铺在所述硅基底的上表面的裸露部分；
（4）在所述硅基底的下表面制备一第一金属电极，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面制备一第二金属电极即可。
因此，本发明提供的上述技术方案具有以下优点：
1）PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜是采用CVD法和套管式生长工艺得到的均一性和一致性良好的二维硒基三元合金纳米薄膜，可作为光电转化半导体材料；其中的钯离子和铂离子协同作用，有效缩短了电子扩散路径，能促进PdxPt1-xSe2三元合金材料产生良好的光电转化性能；而且该PdxPt1-xSe2三元合金薄膜材料具有优异的电导率和稳定性，增强了PdxPt1-xSe2薄膜材料的电性能；
PdxPt1-xSe2三元合金作为半导体薄膜材料，与作为过渡金属间接带隙半导体的PtSe2、PdSe2相比，可以弥补因二维材料膜层厚度的增加形成的多层二维多晶薄膜材料而产生的缺陷，具有更好的电子迁移率；
PdxPt1-xSe2三元合金在薄膜厚度≥20 nm，带隙值趋近于0，此时该材料可识别的响应波段为中红外宽波段；
2）上述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜是采用CVD法和套管式生长工艺制备，不仅具有工艺简单、制备成本低的特点，而且克服了气相沉积法成膜不均匀的问题，为实现高质量、大面积、规模化的材料制备提供了方法；
3）上述PdxPt1-xSe2三元合金用作红外传感器的光电转化材料，可与硅形成异质结，三元合金和硅基底接触区域形成的内建电场，增强了载流子的产生和分离速率；PdxPt1-xSe2三元合金中的Pd和Pt协同作用有利于长循环下的结构和形态完整性，延长红外传感器件的使用寿命，使红外传感器件具有高稳定性的检测特性；
PtSe2、PdSe2作为过渡金属间接带隙半导体，带隙随着膜层厚度的增加而减小为零带隙，然而多层二维薄膜材料是多晶薄膜，存在较多缺陷，影响器件信号的响应灵敏度，三元合金可以弥补缺陷的产生，具有更好的电子迁移率；
所以，本发明提供的上述基于PdxPt1-xSe2三元合金与硅异质结型的红外传感器具有稳定性高、开关比高、宽波段、高灵敏度等特点。
4）本发明提供的上述红外探测器主要是通过在硅/二氧化硅基底表面制备上述PdxPt1-xSe2三元合金与硅异质结型红外探测器，采用常规的磁控溅射设备和CVD管式炉即可制备，且制备探测器件使用时无需低温环境，常温下即可进行测试使用，制备工艺简单，制作成本低。
附图说明
图1为本发明提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的生产装置示意图。
图2为本发明实施例提供的红外探测器的结构示意图。
图3为本发明提供的PdxPt1-xSe2三元合金和二元合金纳米薄膜分别与硅异质结型红外探测器的灵敏图对比测试图。
图4为本发明提供的采用不同工艺制备的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜分别与硅异质结型红外探测器的灵敏图对比测试图。
图5为本发明提供的PdxPt1-xSe2在3500次开/关循环状态下的稳定性测试图。
其中，以上各图中的标号：1. 第一金属电极，2. 硅基底，3. 二氧化硅层，4.PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，5. 第二金属电极，22. 含钯铂薄膜的生长基底，40. 硒粉，42. 套管，44. 反应室，46. 氩气。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明中所采用的术语均为所属领域常用术语，采用的原料、设备、制备工艺、测试方法等等未做特殊说明的或未尽之处，均为所属领域现有技术。
本发明第一方面提供一种二维硒基三元合金纳米薄膜，其中，它为PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，主要是结合管式炉套管法和CVD法制备，0＜x＜1。
优选地，所述PdxPt1-xSe2三元合金中的0.5≤x≤0.8。
PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的响应波段取决于材料的带隙值，PdxPt1-xSe2三元合金在薄膜厚度≥20nm时，带隙值趋近于0，此时材料可识别的响应波段为中红外宽波段；所以，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的厚度优选为20-30 nm，使其能够识别中红外宽波段的相应。
本发明第二方面提供一种上述二维硒基三元合金纳米薄膜的制备方法，包括步骤：
合成钯铂薄膜：采用磁控溅射法在生长基底上形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
合成三元合金薄膜：先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再采用CVD法在所述生长基底上制备PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜。
所述生长基底为硅基底、二氧化硅基底或硅/二氧化硅基底。其中，所述硅/二氧化硅基底是指由硅层和二氧化硅层层叠设置组成；优选地，所述硅/二氧化硅基底中的二氧化硅层设置在所述硅层的上表面，且该硅层的上表面有部分区域裸露，以便于后续采用直接生长法形成异质结。
所述合成钯铂薄膜的步骤包括：采用磁控溅射镀膜设备在清洗干净的所述生长基底的上表面制备一层所述钯/铂合金纳米薄膜；优选地，所述钯/铂合金纳米薄膜厚度为5-10 nm。所述钯/铂合金纳米薄膜按10质量份计，其中的钯与铂的质量比为5-8 : 5-2，如5:5、6:4、7:3、8:2；如此，主要是为了减少多层薄膜缺陷的产生，提升器件灵敏度和稳定性。
在所述合成钯铂薄膜的步骤中，所述钯/铂合金纳米薄膜优选地直接形成在所述生长基底上表面裸露的硅层上和二氧化硅层上。
所述合成三元合金薄膜的步骤包括：先分别将所述硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于同一个一端封口的套管中，再将装有所述硒粉及含钯铂薄膜的生长基底的套管置于CVD反应室中，然后在真空环境中并持续向所述CVD反应室中通入惰性气体，于460℃ - 500℃发生CVD反应，即可制得所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜。
所述硒粉及含钯铂薄膜的生长基底先置于一端封口的套管之中，再放入CVD反应室中，主要是为了提高硒粉在套管中的浓度，同时套管的设计形成了气体的内循环，稳定了管式炉内的气体环境，进而促进了三元合金薄膜的均匀生长，同时也提高了红外传感器件的灵敏度和稳定性。其中，所述套管的开口端优选地朝向所述惰性气体的进口端，如此，有利于气体在套管内形成内循环，促进薄膜的均匀生长。
为保证生长三元合金纳米薄膜的连续性和均匀性，通常需硒粉过量，所以，硒粉与所述钯/铂合金纳米薄膜的质量比优选为2-4 : 0.5-1，如2:0.5、2:1、3:0.5、3:1、4:0.5、4:1。其中，本发明选择硒粉作为硒源，可避免不必要的副产物的产生。CVD反应时间优选为90-180 min。
所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
在合成三元合金薄膜的过程中，为了保证硒粉受热气化后形成稳定的蒸汽压，需在真空环境下将硒粉所处区域温度升高至220-230℃，含钯铂薄膜的生长基底所处区域温度升高至460-500℃，如此可采用双温区管式炉设备同时控制所述硒粉所处区域和含钯铂薄膜的生长基底所处区域的温度，实现温度的精确控制；优选地，硒粉靠近套管内管口位置设置。
本发明的第三方面提供一种二维硒基三元合金与硅异质结型红外探测器，包括硅基底和二氧化硅层，所述二氧化硅层层叠设置在所述硅基底的上表面，且所述硅基底的上表面部分裸露，所述硅基底的下表面设置第一金属电极，所述硅基底和二氧化硅层的上表面均平铺上述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面设置第二金属电极，使得所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分和第二金属电极形成欧姆接触，另一部分和所述硅基底的上表面裸露部分接触形成异质结。
优选地，所述第二金属电极与所述二氧化硅层层叠设置，使得PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜夹在两者之间。
三元合金纳米薄膜层厚度小时，因材料带隙值的影响会限制材料的长波段响应；三元合金纳米薄膜层厚度较大时会影响器件的光吸收效率，而且对于Pd薄膜和Pt薄膜的硒化也不容易反应充分，所以，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的厚度优选为20-30 nm，如20 nm、22 nm、24nm、25nm、26nm、28nm、30nm等。
所述第一电极优选为Ag电极，厚度优选为50-200nm，如50 nm、60 nm、70 nm、80nm、90 nm、100 nm、110 nm、120 nm、130 nm、140 nm、150 nm、160 nm、170 nm、180 nm、190nm、200 nm等。
所述第二电极优选为Au电极或者Ag电极，厚度优选为50-200nm，如50 nm、60 nm、70 nm、80 nm、90 nm、100 nm、110 nm、120 nm、130 nm、140 nm、150 nm、160 nm、170 nm、180nm、190 nm、200 nm等。
本发明的第四方面提供一种上述异质结型红外探测器的制备方法，包括步骤：
（1）提供一生长基底，该生长基底由硅基底和层叠设置在所述硅基底的上表面的二氧化硅层组成，且所述硅基底的上表面的部分裸露；
（2）采用磁控溅射法在所述生长基底的上表面形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
（3）先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再将采用CVD法，在所述生长基底上形成一PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，使所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分平铺在所述二氧化硅层上，另一部分平铺在所述硅基底的上表面的裸露部分；
（4）在所述硅基底的下表面制备一第一金属电极，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面制备一第二金属电极即可。
所述步骤（1）包括：提供一硅/二氧化硅基底，并对所述硅/二氧化硅基底中的二氧化硅层进行刻蚀，使所述硅/二氧化硅基底的上表面中裸露出部分硅层，得到所述生长基底。具体地，先对硅/二氧化硅基底依次进行清洗、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等工艺进行光刻刻蚀，刻蚀部分二氧化硅层并裸露出硅层，得到有所述生长基底；再依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗所述生长基底即可。
所述第一电极和第二电极优选地采用电子束镀膜法制备。
在上述红外探测器及由上述方法制备的红外探测器中，所述PdxPt1-xSe2三元合金和硅基底接触区域形成的内建电场，增强了载流子的产生和分离速率；PdxPt1-xSe2三元合金中的钯铂双金属合金协同作用有利于长循环下的结构和形态完整性，延长探测器的使用寿命，使探测器具有高稳定性的检测特性。
上述三元合金与硅异质结型红外探测器及其制备方法，PtSe2、PdSe2作为过渡金属间接带隙半导体，带隙随着膜层厚度的增加而减小为零带隙，然而多层二维薄膜材料是多晶薄膜，存在较多缺陷，影响器件性能，PdxPt1-xSe2三元合金可以弥补缺陷的产生，具有更好的电子迁移率。
由于PdxPt1-xSe2三元合金中的钯铂不同金属离子之间的协同作用，缩短了电子扩散路径，促进PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜材料产生良好的光电转化性能，可以有效的提升红外探测器的信号响应灵敏度。
下面以具体的实施例进一步解释说明本发明的技术方案。
实施例1 PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜及其制备方法
本实施例提供一种PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的制备方法，包括以下步骤：
合成钯铂薄膜，利用磁控溅射镀膜设备在清洗干净的二氧化硅/硅基底上制备一层钯/铂合金纳米薄膜，厚度约8 nm，且钯与铂元素的质量比为7:3，得到含钯铂薄膜的生长基底；
合成三元合金薄膜，利用硒化合成的方法，请一并参阅图1，先分别将所述硒粉40及含钯铂薄膜的生长基底22置于同一个一端封口的套管42中，再将装有所述硒粉40及含钯铂薄膜的生长基底22的套管42置于CVD反应室44中，然后在真空环境下将硒粉40所处温区升高至220℃，含钯铂薄膜的生长基底22所处温区升高至480℃，持续通入氩气46反应90分钟，即可获得PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，厚度约25 nm，其中，所述钯/铂合金纳米薄膜与硒粉的质量比1:3，所述套管42的开口朝向氩气46的通入方向，所述硒粉40和生长基底22在所述套管42中沿氩气46流动的方向设置，即硒粉40靠近套管42的开口端放置，含钯铂薄膜的生长基底22靠近套管42的封口端放置。
实施例2 红外探测器及其制备方法
请参阅图2，本实施例提供一种红外探测器，是基于PdxPt1-xSe2三元合金与硅异质结型的红外探测器，该红外探测器包括硅基底2、设置在硅基底2上的二氧化硅层3；所述硅基底2的下表面设置第一金属电极1；所述二氧化硅层3设置有刻蚀窗口，保留的二氧化硅层3作为绝缘层；在所述硅基底2和二氧化硅层3上表面均平铺PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜4；在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜4的上表面垂直设置第二金属电极5，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的一部分和第二金属电极5形成欧姆接触并夹在所述第二金属电极5和二氧化硅层3之间，另一部分和硅基底2上表面刻蚀部分接触形成异质结。
本实施例中，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜4为实施例1提供的约30 nm厚的三元合金纳米薄膜，所述第一金属电极1为厚度约100 nm的Au电极，所述第二金属电极5为厚度约50 nm的Ag电极，所述二氧化硅层3的厚度约300 nm，所述硅基底2的厚度约500μm。
本实施例还提供一种上述红外探测器的制备方法，主要包括以下步骤：
（1）将二氧化硅/硅基底依次进行清洗、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等工艺进行光刻刻蚀，得到有刻蚀窗口的二氧化硅/硅基底；
（2）依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗二氧化硅/硅基底10 分钟；
（3）采用与实施例1提供的制备PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的相同方法，在清洗干净的二氧化硅/硅基底上制备约25 nm厚的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜；
（4）采用电子束镀膜的方法分别在硅基底的下表面制备第一金属电极，在PdxPt1- xSe2三元合金纳米薄膜的上表面制备第二金属电极，即完成PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜与硅异质结型红外探测器的制备。
性能测试
样品：以实施例2提供的红外探测器为样品，
试验样品：实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜；
对比样品1-2：分别采用PtSe2、PdSe2代替实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜；
对比样品3：其与实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜基本相同，主要不同在于，本对比例中的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜仅采用CVD法合成，未结合封端套管。
1、灵敏度测试
测试方法：采用试验样品及对比样品1-3提供的红外探测器分别在零偏压下采用3.33μm波段光源，光功率为115mW/cm2，测试结果如图3和4所示。
从图3可以看出：与对比样品1-2相比，采用实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的异质结探测器的信号响应灵敏度明显高于对比样品，这主要是因为PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜产生良好的光电转化性能使得器件的响应灵敏度得到增强。
从图4可以看出：与对比样品3采用无套管方式生长的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜相比，试验样品采用实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的异质结探测器的信号响应灵敏度也明显比较高，这主要是因为硒粉及生长基底置于一端封口的套管之中，进而促进了三元合金薄膜的均匀生长，从而提高了探测器的灵敏度。
2、稳定性测试
测试方法：将试验样品提供的三元合金异质结红外探测器在零偏压下采用3.33μm波段光源，开关频率为5s状态下，持续进行3500次循环测试（3500次开/关循环状态下的稳定性测试），测试结果如图5所示。
由图5可知，试验样品的3500次循环测试过程中，其响应电流稳定在50 μA左右，光响应信号无明显衰减趋势，持续稳定，所以，试验样品采用实施例1提供的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，使得异质结探测器具有优异的稳定性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种二维硒基三元合金纳米薄膜，其特征在于，为PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，主要是结合管式炉套管法和CVD法制备；
优选地，所述PdxPt1-xSe2三元合金中的0.5≤x≤0.8；
优选地，所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的厚度为20-30 nm。
2.一种权利要求1所述的二维硒基三元合金纳米薄膜的制备方法，包括步骤：
合成钯铂薄膜：采用磁控溅射法在生长基底上形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
合成三元合金薄膜：先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再采用CVD法在所述生长基底上制备PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述合成钯铂薄膜的步骤包括：采用磁控溅射镀膜设备在清洗干净的所述生长基底的上表面制备一层所述钯/铂合金纳米薄膜；
优选地，所述钯/铂合金纳米薄膜厚度为5-10 nm；
优选地，所述钯/铂合金纳米薄膜按10质量份计，其中的钯与铂的质量比为5-8 : 5-2。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述生长基底为硅基底、二氧化硅基底或硅/二氧化硅基底，其中，所述硅/二氧化硅基底由硅层和二氧化硅层层叠设置组成。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硅/二氧化硅基底中的二氧化硅层设置在所述硅层的上表面，且所述硅层的上表面有部分区域裸露；在所述合成三元合金薄膜的步骤中，所述钯/铂合金纳米薄膜直接形成在所述生长基底上表面裸露的硅层上和二氧化硅层上。
6.根据权利要求2或3或5所述的制备方法，其特征在于，所述合成三元合金薄膜的步骤包括：先分别将所述硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于同一个一端封口的套管中，再将装有所述硒粉及含钯铂薄膜的生长基底的套管置于CVD反应室中，然后在真空环境中并持续向所述CVD反应室中通入惰性气体，于460℃ - 500℃发生CVD反应，即可制得所述PdxPt1- xSe2三元合金纳米薄膜；
优选地，所以硒粉与所述钯/铂合金纳米薄膜的质量比为2-4 : 0.5-1；
优选地，所述CVD反应的反应时间为90-180 min；
优选地，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
7.根据权利要求2或3或5所述的制备方法，其特征在于，在合成三元合金薄膜的过程中，在真空环境下将硒粉所处区域温度升高至220-230℃，含钯铂薄膜的生长基底所处区域温度升高至460-500℃；
优选地，采用双温区管式炉设备同时控制所述硒粉所处区域和含钯铂薄膜的生长基底所处区域的温度；
优选地，硒粉靠近所述套管内管口位置设置。
8.一种二维硒基三元合金与硅异质结型红外探测器，包括硅基底和二氧化硅层，所述二氧化硅层层叠设置在所述硅基底的上表面，且所述硅基底的上表面部分裸露，所述硅基底的下表面设置第一金属电极，所述硅基底和二氧化硅层的上表面均平铺权利要求1所述的PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面设置第二金属电极，使得所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分和第二金属电极形成欧姆接触，另一部分和所述硅基底的上表面裸露部分接触形成异质结；
优选地，所述第一电极为Ag电极，厚度优选为50-200nm；
优选地，所述第二电极优选为Au电极或者Ag电极，厚度优选为50-200nm。
9.一种权利要求8所述的红外探测器的制备方法，包括步骤：
（1）提供一生长基底，该生长基底由硅基底和层叠设置在所述硅基底的上表面的二氧化硅层组成，且所述硅基底的上表面的部分裸露；
（2）采用磁控溅射法在所述生长基底的上表面形成一层钯/铂合金纳米薄膜，得到含钯铂薄膜的生长基底；
（3）先将硒粉及含钯铂薄膜的生长基底置于一端封口的套管中，再将采用CVD法，在所述生长基底上形成一PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜，使所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜一部分平铺在所述二氧化硅层上，另一部分平铺在所述硅基底的上表面的裸露部分；
（4）在所述硅基底的下表面制备一第一金属电极，在所述PdxPt1-xSe2三元合金纳米薄膜的上表面制备一第二金属电极即可。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：提供一硅/二氧化硅基底，并对所述硅/二氧化硅基底中的二氧化硅层进行刻蚀，使所述硅/二氧化硅基底的上表面中裸露出部分硅层，得到所述生长基底。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311420625.9A CN117626194A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311420625.9A CN117626194A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117626194A true CN117626194A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90036732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311420625.9A Pending CN117626194A (zh) | 2023-10-30 | 2023-10-30 | 二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117626194A (zh) |
-
2023
- 2023-10-30 CN CN202311420625.9A patent/CN117626194A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Deng et al. | Wafer-scale heterogeneous integration of self-powered lead-free metal halide UV photodetectors with ultrahigh stability and homogeneity | |
| CN107369763B (zh) | 基于Ga2O3/钙钛矿异质结的光电探测器及其制备方法 | |
| JPH06204526A (ja) | 光起電力素子 | |
| CN109244246A (zh) | 一种基于拓扑绝缘体硒化铋电极的钙钛矿薄膜的宽波段光电探测器及其制备方法 | |
| CN108346712B (zh) | 一种硅掺杂氮化硼/石墨烯的pn结型紫外探测器制备方法 | |
| Agnihotri et al. | Current status and issues in the surface passivation technology of mercury cadmium telluride infrared detectors | |
| CN110112233A (zh) | 基于银纳米线-石墨烯/氧化镓纳米柱的光电探测结构、器件及制备方法 | |
| CN110190150A (zh) | 基于硒化钯薄膜/硅锥包裹结构异质结的宽波段高性能光电探测器及其制作方法 | |
| CN106206829B (zh) | 一种基于锰掺杂氮化铜薄膜的可见光探测器 | |
| CN117626194A (zh) | 二维硒基三元合金纳米薄膜及其制备方法和应用 | |
| Dalal et al. | Microcrystalline Si: H solar cells fabricated using ECR plasma deposition | |
| CN102214722A (zh) | 一种具有光电导效应的钯掺杂碳膜/氧化物/半导体材料 | |
| JP5019305B2 (ja) | ダイヤモンド紫外線センサー | |
| Levi et al. | Influence of surface composition on back‐contact performance in CdTe/CdS PV devices | |
| Hartig et al. | Production of Polycrystalline n-TiO2-Layers for Photoelectrodiemical Purpose | |
| CN115513327A (zh) | 利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器及其制备方法 | |
| Basyooni et al. | Self‐Powered UV Photodetector Utilizing Plasmonic Hot Carriers in 2D α‐MoO3/Ir/Si Schottky Heterojunction Devices | |
| JP2006156464A (ja) | ダイヤモンド紫外光センサー | |
| Razykov et al. | Conductivity of SbxSey films grown by CMBD from Sb and Se precursors for use in solar cells | |
| CN112531122B (zh) | 一种氧化锡基p/n结宽谱紫外光电探测器及其制备方法 | |
| JPS58123772A (ja) | 半導体素子 | |
| JP3142682B2 (ja) | 太陽電池製造方法及び製造装置 | |
| Yoon et al. | Enhanced Responsivity and Optoelectronic Properties of Self-Powered Solar-Blind Ag [sub. 2] O/β-Ga [sub. 2] O [sub. 3] Heterojunction-Based Photodetector with Ag: AZO Co-Sputtered Electrode. | |
| JP4138673B2 (ja) | ダイヤモンドセンサ | |
| CN118335842A (zh) | 适用于放电微量紫外探测的氧化镓薄膜及制备方法和器件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |