石墨烯光电传感器及其制备方法、组件和系统

技术领域

本发明是关于光电技术，特别是关于一种石墨烯光电传感器及其制备方法、组件和系统。

背景技术

石墨烯因其优异的电学、热学、机械、光学等性能广泛应用于光电器件。石墨烯是零带隙能带结构，因此难以大量吸收入射光。通过对石墨烯添加力场，可以打破石墨烯晶格的空间反演对称，从而打开石墨烯的带隙。石墨烯带隙的打开可以提高石墨烯的光吸收，从而提高石墨烯光电探测器的性能。而目前对石墨烯施加应力的方法主要是石墨烯转移放置在金属薄片或者高分子薄膜上，对金属片或者高分子膜进行施压产生应变。或者是通过原子力探针的方式在石墨烯上施加应力。以上方式可以有效对石墨烯施加应力。但是这些方式很容易破坏材料。并且石墨烯光电器件的基底一般为硅基底或者二氧化硅基底这，这种刚性基底不能直接施加拉压弯等外作用力。而且石墨烯光电探测器制备完成后在使用过程中也不方便添加一个大型的外力装置来对他施加应力。因此传统施加力场的方式不能在硅基石墨烯光电器件上对石墨烯添加应力。

现有的石墨烯光电器件大部分是对称电极结构，对称电极结构需要对器件施加偏压才能让器件工作。这样造成器件的能耗较高。现有的石墨烯光电探测器绝大部分是基于硅基底或者二氧化硅等刚性基底来制备的。刚性基底本身脆性较大，不能对基底直接进行拉压扭等外力加载。与此同时，光电探测器制备完成后一般会进行器件封装，因此在器件使用过程中添加一个外力装置来实现对器件上的石墨烯施加应力是不合实际的。因此通过外力加载的方式对刚性基底上的石墨烯添加力场来调控石墨烯带隙从而提高石墨烯光电器件的性能实现难度极大。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯光电传感器及其制备方法、组件和系统，通过优化传感器的敏感部件的结构设置，有效地利用不同应力的多层薄膜结构，从而充分打开石墨烯材料的带隙，从而改善产品的光电性能，从而实现产品性能优化。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了石墨烯光电传感器包括形成于基底上的源电极、漏电极、石墨烯层以及具有梯度结构的透光有机层，其中石墨烯层覆盖地设置于源电极和漏电极的上层，透光有机层至少形成于石墨烯层表面并由至少两层具有不同内应力的有机材料层形成。优选的，在基底上形成的漏电极可以为环形电极结构，而源电极可以为设置于环形电极结构中心位置的柱形结构，源电极和漏电极自身之间是无直接电连接。注意基底可以为在硅基底上形成有二氧化硅层，源电极和漏电极均形成于二氧化硅层。

在本发明的一个或多个实施方式中，有机材料层的有机材料选自PMMA、PC。优选的，透光有机层包括三层，由指向远离石墨烯层方向观察，第一层有机材料层由浓度为1.1-1.5wt.％的溶液形成，第二层有机材料层由浓度为2-3wt.％的溶液形成，第三层有机材料层由浓度为3.5-4.5wt.％的溶液形成。

在本发明的一个或多个实施方式中，由指向远离石墨烯层方向观察，构成透光有机层的有机材料层由不同浓度的有机材料浆料涂布形成。

在本发明的一个或多个实施方式中，透光有机层包括三层，由指向远离石墨烯层方向观察，第一层有机材料层由浓度为1.1-1.5wt.％PMMA溶液形成，第二层有机材料层由浓度为2-3wt.％PMMA溶液形成，第三层有机材料层由浓度为3.5-4.5wt.％PMMA溶液形成。

在本发明的一个或多个实施方式中，源电极和漏电极为高度不一致的非对称电极

在本发明的一个或多个实施方式中，非对称电极中源电极的高度是漏电极的2-10倍。

在本发明的一个或多个实施方式中，非对称电极中源电极的高度为200nm,漏电极的高度为100nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，石墨烯光电传感器的制备方法，包括如下步骤：A、准备基底，并在基底上形成源电极和漏电极；B、向基底转移石墨烯，在源电极和漏电极上方形成覆盖该两个电极的石墨烯层；C、在石墨烯层表面形成至少两层具有不同内应力的有机材料层，以构建透光有机层。

在本发明的一个或多个实施方式中，传感器组件，包括如前述的石墨烯光电传感器以及通信连接到石墨烯光电传感器的功能组件，功能组件至少选自通信线缆、控制处理器。这里的组件可以为连接有电缆或者光缆的石墨烯光电传感器的功能端头组件。

在本发明的一个或多个实施方式中，系统(这里的系统可以指一个可以实现传感器检测功能的单机系统，也可以指链接有多个单机系统的并行/串行系统以满足多点数据采集需求)，主要可以包括主机以及通信连接到主机的传感器件，传感器件包括如前述的传感器组件和或如前述的石墨烯光电传感器。主机可以为电脑、微处理器、PLC、手机等智能终端等，当然也可以为远程通信控制平台，只要满足与传感器等功能期间的通信和数据交互即可，主机的选择是系统对象的规模和性能要求等多方面的因素而定。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的石墨烯光电传感器及其制备方法、组件和系统，通过采用在石墨烯表面形成梯度膜结构(如旋涂形成等)引入内应力场，对石墨烯施加压应力从而打开石墨烯带隙，提高石墨烯的光吸收能力，从而提高石墨烯光电器件的性能。

梯度膜结构是可以通过在石墨烯表面涂覆不同浓度的PMMA薄膜实现的。不同浓度的PMMA溶液按次序涂覆在石墨烯表面，PMMA溶液在烘烤过程中形成高分子薄膜，凝结过程PMMA膜会产生收缩，从而会在石墨烯中引入内应力。通过不同浓度的PMMA膜进行多层涂覆，形成具有浓度梯度的表面涂覆层，在保证涂覆层透光度的同时引入较大的内应力，从而实现打开石墨烯带隙，提高器件的光电性能。

此外，传统的石墨烯光电器件的电极一般被设计为对称结构，此种器件在工作时需要添加偏压。这样就增加的器件的工作能耗。与之不同的是，本发明采用非对称电极结构，并且两电极高度不同，相差一倍。非对称电极结构可实现器件零偏压工作，从而降低器件的工作能耗。与此同时，两电极高度不同，电极的高度差会造成石墨烯成伞状结构，从而引入更多的内部应力，增加石墨烯内应力，有效提高器件的光电性能。

与此同时，本发明方案通过在石墨烯表面形成的PMMA涂覆层可有效保护石墨烯在使用过程中的空气掺杂等问题，可进一步提高器件的使用稳定性。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的传感器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施方式的传感器的制备流程示意图；

图3是根据本发明一实施方式的传感器的制备工艺流程示意图；

图4是根据本发明一实施方式的透光有机层形成的梯度结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

注意本发明方案中的上层指由观察者角观察图1时确认的。本发明方案中未作限定的浓度默认为质量浓度。

PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯),是一种高分子聚合物。具有质轻、比强度高、透光度高以及易于成型等优点。可溶于苯甲醚等有机溶剂，可以形成良好的薄膜和良好的介电性能。热变形温度为105℃，PMMA溶液浓度可调，因此本发明方案中可以通过旋涂方式在石墨烯表面进行涂覆，然后通过热处理得到不同应力的PMMA涂覆层。

内应力：是指当外部荷载去掉以后，仍残存在物体内部的应力。它是由于材料内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。

PMMA膜涂覆导致石墨烯内应力状态变化的原因：PMMA溶液通过表面旋涂的方式在石墨烯上形成微米厚度的液态膜，然后通过热处理(烘烤)的方式使其成膜，在PMMA溶液凝结的过程中，会产生收缩。由于石墨烯本身的厚度只有0.4nm左右，所以微米级厚度的PMMA薄膜的收缩会直接导致石墨烯呈现压应力状态，而不同浓度的PMMA溶液在凝结后的收缩程度不同，会产生不同的压应力。

如图1至图4所示，根据本发明优选实施方式的石墨烯光电传感器包括形成于基底上的源电极、漏电极、石墨烯层以及具有梯度结构的透光有机层，其中石墨烯层覆盖地设置于源电极和漏电极的上层，透光有机层至少形成于石墨烯层表面并由至少两层具有不同内应力的有机材料层形成。

如图1所示的，作为本发明光电传感器的一种实施方案，其包括形成于基底1上的源电极22、漏电极21、石墨烯层30以及具有梯度结构的透光有机层，其中石墨烯层30覆盖地设置于源电极22和漏电极21的上层，透光有机层至少形成于石墨烯层30表面并由至少两层具有不同内应力的有机材料层形成。在基底1上形成的漏电极21可以为环形电极结构，而源电极22可以为设置于环形电极结构中心位置的柱形结构，源电极22和漏电极21自身之间是无直接电连接。注意基底可以为在硅基底11上形成有二氧化硅层12，源电极22和漏电极21均形成于二氧化硅层12。由指向远离石墨烯层方向观察，构成透光有机层的有机材料层由不同浓度的有机材料浆料涂布形成。

作为一种优选方案，透光有机层包括三层，由指向远离石墨烯层方向观察，第一层有机材料层31由浓度为1.1-1.5wt.％PMMA溶液形成，第二层有机材料层32由浓度为2-3wt.％PMMA溶液形成，第三层有机材料层33由浓度为3.5-4.5wt.％PMMA溶液形成。

实施例01

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为200nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为200nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PMMA薄膜。PMMA薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PMMA溶液浓度范围为1.1％，第二层浓度范围为2％，第三层浓度范围为3.5％。涂覆完后对石墨烯和PMMA进行图形化，器件完成。

实施例02

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为100nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PMMA薄膜。PMMA薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PMMA溶液浓度范围为1.3％，第二层浓度范围为2.5％，第三层浓度范围为4％。涂覆完后对石墨烯和PMMA进行图形化，器件完成。

实施例03

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为150nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为150nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PMMA薄膜。PMMA薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PMMA溶液浓度范围为1.5％，第二层浓度范围为3％，第三层浓度范围为4.5％。涂覆完后对石墨烯和PMMA进行图形化，器件完成。

实施例04

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为200nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为200nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PC薄膜。PC薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PC溶液浓度范围为1.2％，第二层浓度范围为2.3％，第三层浓度范围为3.7％。涂覆完后对石墨烯和PC进行图形化，器件完成。

实施例05

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为100nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PC薄膜。PC薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PC溶液浓度范围为1.4％，第二层浓度范围为2.6％，第三层浓度范围为4.2％。涂覆完后对石墨烯和PC进行图形化，器件完成。

实施例06

本实施例中首先利用丙酮、乙醇、去离子水等对硅基底进行超声清洗；然后通过光刻工艺制备源电极，电极高度为150nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为150nm；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PC薄膜。PC薄膜需要涂覆三层，与石墨烯接触的PC溶液浓度范围为1.25％，第二层浓度范围为2.8％，第三层浓度范围为4.4％。涂覆完后对石墨烯和PC进行图形化，器件完成。

实施例11

本实施例与实施例01的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为200nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm，如图2所示；然后向基底上转移石墨烯，石墨烯呈伞状搭在电极上。然后向石墨烯表面涂覆PMMA薄膜。器件制备工艺流程如图3所示。

电极采用非对称结构设计，非对称电极的设计可使器件在零偏压环境下工作；且源漏电极具有100nm高度差，此高度差的存在可以使石墨烯成为伞状结构，在石墨烯中有效引入内应力，从而提高器件性能。梯度膜结构可以在石墨烯内部均匀施加内应力。与石墨烯接触的PMMA膜浓度较低，此时引入的内应力较小，避免PMMA膜在收缩过程中产生的较大内应力对石墨烯造成缺陷。然后逐渐增加PMMA溶液浓度，逐渐增大内应力。在保证涂覆层透光度的同时引入较大的内应力，使整个石墨烯处于较大的压应力状态，从而提高器件的性能。于此同时石墨烯表面的涂覆层可以有效提高器件在使用过程中的稳定性和寿命。原理图见图4，这种内聚应力结构实现了对传感器产品性能的优化改进，图中展示了三种不同的PMMA层提供内聚应力的示意图。

实施例12

本实施例与实施例02的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为400nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm。

实施例13

本实施例与实施例03的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为500nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm。

实施例14

本实施例与实施例04的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为800nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm。

实施例15

本实施例与实施例05的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为800nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm。

实施例16

本实施例与实施例06的区别仅在于：通过光刻工艺制备源电极，电极高度为1000nm；然后通过光刻工艺制备漏电极，漏电极的高度约为100nm。

经过检测发现，实施例01-06的样品平均能耗相较于同等类型而具有对称电极结构的传统传感器，在能耗有效降低10-15％。而实施例11-16的样品平均能耗相较于实施例01-06的样品，在能耗有效降低30-60％，并且传感器散热量也显著降低15-20％以上，灵敏度提升20-30％。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。