基于金属/二维材料范德瓦尔斯的光电探测器及其制备

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯的光电探测器及其制备。

背景技术

光电子器件在现代科技中发挥着广泛的应用，包括红外成像、光通信、环境监测以及智能驾驶。近年来，低维材料广泛应用于光电探测领域，与传统块体半导体不同，低维材料表面无悬挂键、原子级厚度并且柔韧性好，适合于发展硅光电子集成以及柔性可穿戴技术，具有超越体材料性能的潜质。

低维材料中，尤其是石墨烯，零带隙的能带结构使得光吸收范围可延伸至太赫兹区域，可用于宽光谱、高灵敏探测器设计。然而，石墨烯载流子寿命短使得输运到电极的电荷几率低，导致器件光响应度较小。尽管结合等离子体结构可以提高光吸收来增加光生载流子浓度，并且最近的研究结果表明超材料、金属天线已经实现了光响应度的优化，但载流子寿命依旧抑制了光电转换效率。一种替代方法是结合光敏材料，如量子点、钙钛矿、硅以及TMDs。敏化材料一方面提供高光吸收，材料内的敏化中心可以捕获并局限一种类型的载流子，另一种类型载流子在石墨烯沟道中传输，通过延长被束缚的载流子寿命而有效提高光电导增益。可惜的是，无带隙的石墨烯作为沟道也意味着较大的暗电流，通常情况下几十微米的沟道面积暗电流一般在几十μA-mA量级，这会造成器件噪声功率较大且器件功耗高。并且，由于读数电路容易饱和，高暗电流也会增加电路设计难度。因此降低目前器件的暗电流至商用的nA的水平(硅或锗光电探测器)是非常有必要的。

本领域技术人员通过构建p-n结或光伏型结构来解决该问题，结势垒的存在使得只有极少数的热载流子可以越过，实现极低的暗电流，但这意味着光生载流子也要越过势垒实现电荷的分离。如果能够操控势垒高度，使得光照下势垒高度降低，进而有更多的电子可以克服势垒产生更多的电流，那么高增益、低暗电流光电探测将成为可能。这是当前探测技术面临的主要挑战之一。范德瓦尔斯界面，为界面势垒高度调控提供了独特的机会，特别是金属-半导体范德瓦尔斯界面，研究证明这种界面的势垒高度可以接近肖特基莫特限制，近似于理想物理界面。范德瓦尔斯界面为构建高增益、低暗电流光电探测器提供方法。

公开号为CN110148643B的发明专利公开了半导体量子点/石墨烯范德瓦尔斯结柔性器件的构筑方法，通过柔性衬底机械剥离化学气相沉积法制备的单层石墨烯，并在石墨烯上修饰半导体量子点，构筑了表面光伏响应性能理想的半导体量子点/石墨烯范德瓦尔斯结薄膜柔性表面光伏器件，可用于相对位置探测或光电探测；然而该发明难以实现低暗电流、高响应度的探测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器。本发明通过物理转移法构筑金属/二维材料范德瓦尔斯界面，该界面形成了良好的层间接触，克服了常规金属沉积工艺引起的二维材料原子结构被破坏、费米钉扎问题，实现了高质量金属-半导体范德瓦尔斯界面构筑以及高光开比的光电响应。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器，所述光电探测器包含二维材料、一对金属电极和柔性衬底；所述柔性衬底位于金属电极下方，所述二维材料位于金属电极上方，所述一对金属电极分别连接二维材料两端；所述金属和所述二维材料构成范德瓦尔斯界面。

进一步，所述二维材料为图案化的二维材料，所述图案化的二维材料为1-5层薄膜。

作为优选，所述二维材料为石墨烯。

进一步，所述金属电极的材料为金、银和/或铜，厚度为40nm-100nm。

作为优选，所述金属电极的材料为金。

进一步，所述柔性衬底为聚合物衬底；所述聚合物为PMMA、聚酰亚胺和/或PDMS。

本发明的目的之二在于提供一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

目的一所述光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1：采用微纳光刻工艺，通过紫外曝光、显影、溅射、金属剥离在硅基衬底上制备金属电极，获得样品；

S2：配置聚合物溶液；

S3：将S2所得聚合物溶液旋涂到S1所得样品上，低温加热使聚合物薄膜固化。

S4：采用物理转移法将固化的聚合物薄膜从硅基衬底上剥离；

S5：利用CVD法生长所述二维材料，并利用干法或湿法转移工艺将二维材料转移到聚合物样品上；

S6：将S5所得转移二维材料后的样品利用微纳光刻工艺将二维材料条带化，制得所述光电探测器。

进一步，S1具体为：准备洁净的Si/SiO

进一步，S1中，溅射法镀膜厚度为40nm-100nm。

进一步，S2中，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PI)和/或PDMS为溶质，乙酸乙酯为溶剂，配置聚合物溶液；所述聚合物溶液的浓度为3％-20％。

更进一步，所述溶质与溶剂的配比为1：10-1：50。

进一步，S3中，所述聚合物溶液旋涂厚度为300μm-5000μm。

进一步，S3中，所述低温加热条件为：80℃-100℃加热3h；以保证PMMA薄膜完全固化到样品上。

进一步，S3中，所述旋涂的转速为200rpm-1000rpm。

进一步，S4中，剥离后，所述硅基衬底上的电极图案被复制到聚合物薄膜上。

进一步，所述二维材料为石墨烯，所述聚合物溶液为PMMA溶液；S5具体为：

(1)在石墨烯表面旋涂3％-8％的PMMA溶液，所述PMMA的厚度为100nm-500nm；热板加热使上层PMMA固化，得样品；

(2)将步骤(1)所得样品放置到高浓度的盐酸、过氧化氢溶液中3min-5min，去掉铜箔底层的石墨烯以及氧化亚铜；

(3)将步骤(2)处理后的样品放置在低浓度的盐酸、过氧化氢溶液中2h-3h，直至铜箔完全溶解；

(4)将PMMA/石墨烯用普通硅片转移至去离子水中，浸泡30min后转移至PMMA衬底的金电极上，自然晾干。

进一步，S6具体为：将S5中转移二维材料后的样品进一步旋涂200nm厚的S1805光刻胶；紫外曝光后，AZ300显影液浸泡直至完全显影出图案；再将样品放入刻蚀机中，使没有光刻胶保护的石墨烯全部被刻蚀掉；最后将样品放入稀释的AZ400显影液中浸泡去掉上层S1805光刻胶；制得所述金属/二维材料范德瓦尔斯光电探测器。

本发明的有益效果在于：

1.本申请构筑的金属/二维材料的范德瓦尔斯界面，与传统溅射或蒸镀工艺制备的金属/二维材料界面相比，避免了制备工艺对材料本身性质的破坏，包括产生缺陷或化学扰动，实现了高质量金属-半导体界面的构筑。

2.本发明方法制备的金属电极，界面平整度高，具有原子级的粗糙度，可以与二维材料形成良好的界面接触，有利于实现高性能的光电探测器件。

3.本发明方法中电极制备以及光电探测器基于柔性基底，该衬底可弯曲、拉伸，可以拓展应用到智能穿戴，柔性以及应力传感等应用中。

4.本发明的光电探测器在近红外实现了低暗电流、高响应度探测，为发展红外高性能室温探测技术提供思路。

附图说明

图1为制备金属-二维材料范德瓦尔斯界面接触的光电探测器的流程图；

图2为物理转移法制备金属电极的光学照片；其中，a为Si/SiO

图3为物理转移法、常规溅射法制备电极的粗糙度对比图；

图4a为转移和溅射后石墨烯薄膜的拉曼表征的结果图；图4b和图4c分别为金属沉积和转移后的石墨烯拉曼mapping中D峰和G峰的强度比值(I

图5为0.5V下器件电流-时间曲线图(激光功率密度为230mW/cm

图6为光电流和响应度随光功率密度的变化图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行更进一步地清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。

实施例1.金-石墨烯范德瓦尔斯光电探测器的制备

(1)准备洁净的Si/SiO

(2)PMMA粉末和乙酸乙酯溶液按照1:10配比混合，制得PMMA溶液。

(3)将PMMA溶液以低转速(500rpm左右)旋涂到样品上，厚度在500μm左右；热板100℃加热约3小时，以保证PMMA薄膜完全固化到样品上。

(4)用镊子将PMMA薄膜逐渐从Si/SiO

(5)二维材料(石墨烯)转移：用剪刀在长有石墨烯的铜箔上取一小块，在石墨烯表面旋涂8％的PMMA溶液，PMMA厚度约为500nm；热板加热使上层PMMA固化；随后将样品放置到高浓度的盐酸、过氧化氢溶液中约5min，去掉铜箔底层的石墨烯以及氧化亚铜；再将样品放置在低浓度的盐酸、过氧化氢溶液中，大约3h，直至铜箔完全溶解，此时带有PMMA的石墨烯漂浮在溶液中；将PMMA/石墨烯用普通硅片转移至去离子水中，浸泡约30min，去掉盐酸溶液中的杂质离子；最后将PMMA/石墨烯转移至PMMA衬底的金电极上，直至自然晾干。

(6)材料图案化：将步骤(5)中转移石墨烯后的样品进一步旋涂200nm厚的S1805光刻胶；紫外曝光后，AZ300显影液浸泡直至完全显影出图案；再将样品放入刻蚀机中，使没有光刻胶保护的石墨烯全部被刻蚀掉；最后将样品放入稀释的AZ400显影液中浸泡去掉上层S1805光刻胶，制得金-石墨烯范德瓦尔斯光电探测器。

金-石墨烯范德瓦尔斯光电探测器的制备流程如图1所示；本实施例采用物理转移法制备金属电极，结果如图2所示，其中，图2a为Si/SiO

图4a为本发明中物理转移和常规金属沉积后，石墨烯表面的拉曼光谱表征。常规金属沉积后的石墨烯G峰被展宽，2D峰基本消失，说明石墨烯的性质已经被破坏；而物理转移后的石墨烯具有明显的G峰、2D峰，保持了石墨烯原本的性质；图4a中，D峰为材料的缺陷峰，物理转移后的石墨烯表面缺陷极少，而溅射后的石墨烯具有明显的缺陷峰。进一步从图4b和图4c中I

实施例2.光电性能测试

对实施例1制得的金属/二维材料范德瓦尔斯光电探测器进行光电性能测试。测试系统包括近红外激光器(波长为1550nm)、信号发生器、半导体测试系统以及制备的器件。

具体实验过程为：探针接触器件电极两端，使器件处于导通状态；将激光器光斑对准到待测样品上，通过调节激光电流改变激光输出功率；激光器的调制频率通过信号发生器控制；分别记录电压0.5V不同光功率下的的电流-时间曲线，图5中激光功率密度为230mW/cm