一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及偏振光探测技术领域，尤其涉及一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法。

背景技术

对于具有平面内各向异性晶体结构的二维(2D)材料，电子和能带结构表现出高度的取向依赖性，这导致了有效质量、光吸收和电输运的强烈各向异性，在这类材料中产生了线性二向色性的独特特征。线性二向色性使其成为角分辨光电子应用的有希望的平台，如偏振光谱成像、偏振光电探测器和光学雷达。过去，具有超表面结构的光学介质已被广泛用于控制光的相位和偏振,但是，其复杂而昂贵的制造工艺是进一步实际应用的限制因素。由于几何各向异性，一维(1D)纳米线或纳米带如ZnO、InP和Sb

最近，由于其固有的面内各向异性特性，低对称二维材料已成为偏振相关光学和电学应用的研究热点。例如，具有褶皱蜂窝结构的黑磷(b-P)在吸收、光致发光、载流子迁移率和热电传输等方面显示出明显的各向异性，从而实现了偏振敏感光电探测器和场效应晶体管等。受到黑磷各向异性特征的启发，来自同族V的黑砷(b-As)也被报道表现出面内光学和电学各向异性，电子迁移率的二色性比为2.68。此外，硒化锗(GeSe)、砷化锗(GeAs)、低对称性过渡金属二硫属化物(TMD)，如Td-WTe

针对此类难题，本发明创造性的设计了一种新型的异质结结构材料体系，采用二维的纳米片沟道材料和具有各向异性的二维的纳米片偏振光敏化材料，进一步开发了通讯波段内稳定高效的偏振光探测器。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法。该偏振光探测器采用第一导电类型的二维纳米片沟道材料层，结合第二导电类型的二维纳米片偏振光敏化材料，搭建了异质结结构，促进了光激发电子-空穴对的分离，同时引入了光栅效应，增大了光响应度和灵敏度，实现了高性能的偏振敏感光电探测器。另一方面，本发明通过机械剥离法获得二维纳米片材料薄层，结合PVA/PDMS辅助干法转移技术将二维纳米片偏振光敏化材料层转移至二维纳米片沟道材料层的表面，成功实现了该偏振光探测器的制备，该工艺方法过程简单、技术成熟、室温操作且成本低廉，非常有利于大规模制备和应用。

基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：

本发明的一方面提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器，包括：第一导电类型的二维纳米片沟道层；第二导电类型的各向异性的二维纳米片偏振光敏化半导体层，位于所述纳米片沟道层的表面；第一电极和第二电极，分别位于所述偏振光敏化半导体层的两端侧，与所述纳米片沟道层的表面接触，不与所述偏振光敏化半导体层接触。

优选地，所述纳米片沟道层选用过渡金属硫属化物(TMDs)。

优选地，所述纳米片沟道层选用WSe

优选地，所述偏振光敏化半导体层选用Bi

所述纳米片沟道层选用机械剥离法获得，所述纳米片沟道层的厚度为50～80nm。

所述偏振光敏化半导体层选用机械剥离法获得，所述偏振光敏化半导体层的厚度为20～50nm。

所述偏振光探测器的探测波长为可见光至红外范围。

优选地，所述纳米片沟道层选用WSe

优选地，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

本发明的另一方面提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

通过机械剥离法将第一导电类型的纳米片沟道层材料和第二导电类型的各项异性的偏振光敏化半导体层材料分别转移至第一目标衬底和第二目标衬底；

在PDMS基底上旋涂PVA溶剂，在50～80℃下加热6～10分钟后获得PVA/PDMS薄膜基底，将PVA/PDMS薄膜基底的PVA一侧粘附至上述偏振光敏化半导体层材料的表面，在70～90℃下加热6～10分钟后，将偏振光敏化半导体层材料从第二目标衬底上分离获得基底/PDMS/PVA/偏振光敏化半导体层的第一叠层，将该第一叠层侧的偏振光敏化半导体层堆叠至第一目标衬底上的纳米沟道层材料的表面获得第二叠层，随后将该第二叠层浸泡在二甲基亚砜有机溶剂中去除PVA获得第一目标衬底/纳米沟道层材料/偏振光敏化半导体层材料的第三叠层；

在该第三叠层中的纳米沟道层材料的两端沉积金属层，退火后获得第一电极和第二电极，第一电极和第二电极不与偏振光敏化半导体层接触。

所述目标衬底选用SiO

所述退火在惰性气氛中进行，退火温度为80～150℃，时间为0.5～2小时。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

1、本发明通过构建具有各向异性的二维多层偏振光敏化材料层和二维光载流子传输通道的异质结结构，得到了高性能、近红外波段偏振敏感光探测器。该偏振光探测器具有可见光至红外范围的宽波谱、光开关比可达10

2、在制备工艺方面，本发明通过机械剥离法获得二维纳米片材料薄层，结合PVA/PDMS辅助干法转移技术将二维纳米片偏振光敏化材料层转移至二维纳米片沟道材料层的表面，成功实现了该偏振光探测器的制备，该工艺方法过程简单、技术成熟、室温操作且成本低廉，非常有利于大规模制备和应用。

3、作为本发明的优选实施例，偏振光敏化材料选用Bi

附图说明

图1是实施例1的偏振光探测器结构示意图。

图2中(a)图是实施例1的偏振光探测器异质结界面处的KPFM；(b)图和(c)图是实施例1中p型层和n型层接触前后的异质结构的能带图。

图3是实施例1的偏振光探测器性能测试图，其中(a)图是响应度图；(b)图是EQE图；(c)图是检测率作为405nm和635nm光的光功率密度的函数。

图4是实施例1的偏振光探测器在波长为405nm和635nm光照下的性能图，其中(a)和(b)图是405nm和635nm光照下随偏振角度变化的光电流；(c)和(d)图是极坐标中的光电流；(e)和(f)图是I-V曲线的映射图。

具体实施方式

接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。

本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。

另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。

实施例1

如图1示，本发明实施例提供了一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器，包括SiO

WSe

P型二维WSe

基于单独剥离的Bi

图3中，(a)图显示了探测器在450nm和635nm光照下的随光功率密度变化的R值。在这两种情况下，由于异质结构中光敏状态的逐渐饱和，R随着光功率的增加而降低。对于405nm和635nm，在弱光照明下R分别高达43A/W和44A/W。作为光功率密度函数的EQE如(b)图所示，405nm和635nm照射下的最大EQE可分别达到1.3×10

图4中，通过偏振器获得的405nm和635nm偏振光进行了测量。以30°步长旋转偏振器来改变偏振角。(a)图和(b)图分别显示了405nm和635nm光在V

结合上述实施例的器件结构，为使得该偏振光探测器的结构更为清楚，接下来提供该基于各向异性二维材料的偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：

选用300nm SiO

接着，采用机械剥离方法分别在两片SiO

准备粘附有PDMS层的载玻片，将PVA溶剂旋涂至PDMS层的表面，然后在50～80℃下加热6～10分钟获得固体PVA/PDMS薄膜。然后将PVA/PDMS/载玻片中PVA一侧堆叠在Bi

接着采用激光直写和蒸镀工艺，在WSe

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。