CN207038541U - 一种高响应的石墨烯‑二硫化钼柔性光电传感器及光电检测设备 - Google Patents
一种高响应的石墨烯‑二硫化钼柔性光电传感器及光电检测设备 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种高响应的石墨烯‑二硫化钼柔性光电传感器及光电检测设备，所述传感器包括柔性基底以及设置于柔性基底上的电极部分、二硫化钼层和石墨烯层；所述电极部分包括源电极、漏电极和栅压电极，所述石墨烯层电性连接于源电极和漏电极之间；所述二硫化钼层与所述石墨烯层接触并设置于石墨烯层和柔性基底之间。本实用新型在642nm具有8％的吸收率，并且弯曲到1.4cm的曲率时依然是稳定的，仅需施加低于1伏的电压即可工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柔性光电传感器及应用该传感器的设备，尤其涉及一种高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器及光电检测设备，属于电子器件及设备领域。
背景技术
现代电子和光电系统，比如智能手机，智能眼镜，智能手表和可穿戴设备等，越来越需要柔性、超薄、透明、低成本、节能的设备。
柔性电子器件和光电子器件的快速发展，要求材料具有可以多种电子和光学功能，同时还要在处于弯曲或者压力状态下性能保持稳定。
然而，由于采用的半导体材料的刚性，柔性光电子器件的开发工作没有很好的解决方案。考虑到在整个可见光范围内（0.4-0.7μm）的吸光能力，和跟现在基于柔性基底的加工技术的兼容性。当前的方法主要是运用微米级厚的半导体膜和半导体纳米线（NW）。
现有技术中，采用石墨烯或类石墨烯材料作为响应器件结构或响应检测结构已经从基础的科学研究开始走向工业实用器件的设计和研制。
专利CN205352991U公开了一种基于二氧化锡/类石墨烯二硫化钼薄膜的湿度传感器，包括湿度传感元件、电容-电压转换电路、STM32F103微处理器、SI4432无线通讯模块、声光报警器。湿度传感元件采用二氧化锡/类石墨烯二硫化钼薄膜作为湿敏传感薄膜，沉积在具有回形叉指电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底上。通过测量二氧化锡/类石墨烯二硫化钼薄膜湿度传感元件的电容变化实现对环境湿度的检测，具有数据采集、存储、显示以及声光报警功能，将监测数据传送给上位机及无线远程通讯，并根据设定值做出警报，可实现有效的实时监控和管理。该传感器具有高灵敏度、响应快、稳定可靠的优点，适用于物联网环境湿度实时监测。
专利CN204514848U公开了一种Si/SiO2/石墨烯/钯多层结构高性能氢气传感器，Si/SiO2/石墨烯/钯多层结构高性能氢气传感器，包括基底和基底表面覆盖的传感薄膜，其特征在于：所述的传感薄膜为Si/SiO2基底层、石墨烯层和钯晶粒层按由下而上的顺序依次复合而成的Si/SiO2/石墨烯/钯多层复合结构。其测试氢气气体的灵敏度高，反应和恢复时间短，测试超低浓度的氢气反应灵敏；可避免氢脆影响；结构简单，性能优越。
具体到光电传感器领域，光电检测器的关键参数之一是外部响应度（Rext = Iph/ Po），即光电流（Iph）和光功率的比率。在基于结晶半导体膜的柔性光电检测器中，Rext高达0.3A / W，光电流也达到100 μA，但是当其弯曲半径达到3 cm 时，就会衰减大约30％。由单个半导体纳米线制成的柔性光电检测器，在弯曲半径达到0.3cm时，外度响应度仍然有105 A / W。然而，它的光电流却很小，最高也不超过1μA。
如何实现高响应的柔性光电传感器成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本实用新型为解决柔性光电传感器的响应灵敏度，采用了将石墨烯和二硫化钼制成光电检测器的，在聚合物电解质中施加栅压，用于可见波长，具有大面积（达到平方毫米）的光活性区域，而且具有高响应度（达到数百A / W），高透明度（> 80％），栅压可调、工作电压低（<1 V），多达3000个弯曲循环下的工作稳定性（外度响应度偏差未±12％）。
具体的，本实用新型提供了如下技术方案：
首先，本实用新型提供了一种高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，所述传感器包括柔性基底以及设置于柔性基底上的电极部分、二硫化钼层和石墨烯层；所述电极部分包括源电极、漏电极和栅压电极，所述石墨烯层电性连接于源电极和漏电极之间；所述二硫化钼层与所述石墨烯层接触并设置于石墨烯层和柔性基底之间。
即本实用新型的主要发明构思是通过堆叠厘米级单层石墨烯（SLG）和单层二硫化钼MoS2，制造可见光波长的柔性光电检测器。操作机制依赖于光激发电子的注入MoS2到SLG通道。
进一步的，作为封装的形式，所述传感器还包括柔性密封装置。从而使得封装工艺更为简化，有效防止了器件的氧化和老化。
进一步的，为提高光响应速度和响应的灵敏度，所述二硫化钼层为单层二硫化钼。
进一步的，为提高电子传输效率，所述石墨烯层为单层石墨烯。
进一步的，作为优选方案，一方面提高透明度，另一方面提高栅压，所述栅压电极为聚合物栅压电极。
进一步的，为降低器件的制造成本和加工难度，同时能够提高栅压相应速度，所述栅压电极设置于所述石墨烯层的一侧且与所述二硫化钼层异侧。
进一步的，为保证光在二硫化钼层上的辐射效率，所述柔性基底透射率大于80%。
进一步的，作为外部检测的设备连接方式，一般的，所述源电极、漏电极和栅压电极分别与电流检测设备连接。
在上述配置中，单层二硫化钼用作可见的光吸收体，而单层石墨烯是导电通道。可以使用聚合物栅压，或通过增加源极 - 漏极电压来增加单层二硫化钼到单层石墨烯的载流子注射，从而提高外部响应度。
其次，本实用新型还涉及一种应用上述高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器的光电检测设备。
与现有技术相比，本实用新型具有如下技术优势：
检测器在642nm处的外部响应度为45.5A / W，内部响应度为570A / W。这个响应度至少比半导体柔性膜高2个数量级。光电导增益高达4×105，光电流在0.1-100μA范围内。该器件是半透明的，在642nm具有8％的吸收率，并且弯曲到1.4cm的曲率时依然是稳定的。此外，该器件仅需施加低于1伏的电压即可工作。
附图说明
图1为本实用新型提供的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器的结构示意图。
图2为该光电传感器未弯曲的工况下的结构剖面图。
图3为该光电传感器在弯曲状态的工况下的结构剖面图。
图4为封装后的光电传感器未弯曲的工况下的结构示意图。
图5为封装后的光电传感器在弯曲状态的工况下的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明本实用新型的结构和工作方式，现结合附图1-5进行具体说明。
参照图1和图2，本具体实施方式提供的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器柔性基底6以及设置于柔性基底上的电极部分、二硫化钼层5和石墨烯层4；电极部分包括源电极2、漏电极3和栅压电极1，石墨烯层4电性连接于源电极2和漏电极3之间；二硫化钼层5与石墨烯层4接触并设置于石墨烯层4和柔性基底6之间。通过堆叠厘米级石墨烯和二硫化钼，制造可见光波长的柔性光电检测器，依赖于光激发电子的注入二硫化钼层到石墨烯通道。为降低器件的制造成本和加工难度，同时能够提高栅压相应速度，栅压电极设置于石墨烯层的一侧且与二硫化钼层异侧。
本具体实施方式中采用了单层二硫化钼和单层石墨烯的设置，提高了光响应速度和响应的灵敏度以及电子传输效率。检测器在642nm处的外部响应度为45.5A / W，内部响应度为570A / W。这个响应度至少比半导体柔性膜高2个数量级。光电导增益高达4×105，光电流在0.1-100μA范围内。
参照图3，为该光电传感器在弯曲状态的工况下的结构剖面图，由于基底、二硫化钼和石墨烯均为柔性材料，从而使得整个器件具有可弯曲性能，弯曲到1.4cm的曲率时依然是稳定的。多达3000个弯曲循环下的工作稳定性（外度响应度偏差未±12％）。
参照图4和图5，作为封装的形式，传感器还包括柔性密封装置。从而使得封装工艺更为简化，有效防止了器件的氧化和老化。封装也采用柔性密封，可以保证整个器件在弯曲过程中各组成部分有效的固定和稳定的连接。
虽然本实用新型内容包括具体的实施例，但是对本领域的技术人员明显的是在不偏离本权利要求和其等同物的精神和范围的情况下，可以对这些实施例做出各种形式上和细节上的改变。本文中描述的实施例应被认为只在说明意义上，并非为了限制的目的。在每一个实施例中的特征和方面的描述被认为适用于其他实施例中的相似特征和方面。因此，本实用新型的范围不应受到具体的描述的限定，而是受权利要求技术方案的限定，并且在本权利要求和其等同物的范围内的所有变化被解释为包含在本实用新型的技术方案之内。
Claims (9)
1.一种高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述传感器包括柔性基底以及设置于柔性基底上的电极部分、二硫化钼层和石墨烯层；所述电极部分包括源电极、漏电极和栅压电极，所述石墨烯层电性连接于源电极和漏电极之间；所述二硫化钼层与所述石墨烯层接触并设置于石墨烯层和柔性基底之间。
2.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述传感器还包括柔性密封装置。
3.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述二硫化钼层为单层二硫化钼。
4.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述石墨烯层为单层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述栅压电极为聚合物栅压电极。
6.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述栅压电极设置于所述石墨烯层的一侧且与所述二硫化钼层异侧。
7.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述柔性基底透射率大于80%。
8.根据权利要求1所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅压电极分别与电流检测设备连接。
9.一种光电检测设备，其特征在于，该设备包括权利要求1-8任一项所述的高响应的石墨烯-二硫化钼柔性光电传感器。
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