一种基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件及其制备方法转让专利
申请号 : CN201911345170.2
文献号 : CN111129169B
文献日 : 2021-06-15
发明人 : 周建新 , 徐廉鹏 , 何哲
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述光电器件从下到上依次为:衬底(1),绝缘层(2),二硒化锡层(3),二硒化钨层(4)和石墨烯层(5);
所述衬底(1)与绝缘层(2)上表面积相同,所述二硒化锡层(3)上表面积小于绝缘层(2);所述二硒化钨层(4)覆盖于二硒化锡层(3)上表面且二硒化钨层(4)的一侧延伸至绝缘层(2)上表面;所述石墨烯层(5)覆盖于二硒化钨层(4)上表面且石墨烯层(5)的一侧延伸至绝缘层(2)上表面;
第一金属电极(6)和第二金属电极(7)分别位于叠层结构两侧,其中,所述第一金属电极(6)位于绝缘层(2)一侧的上表面且与二硒化锡层(3)接触;所述第二金属电极(7)位于绝缘层(2)另一侧的上表面且与石墨烯层(5)延伸至绝缘层(2)的区域接触。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述的衬底(1)包括绝缘衬底和非绝缘衬底;当所述衬底(1)为绝缘衬底时,衬底(1)与绝缘层(2)材质相同且二者固为一体。
3.根据权利要求2所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述绝缘层衬底的材质包括氧化铝、普通玻璃、石英玻璃、云母、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷中的至少一种;衬底(1)与绝缘层(2)的总厚度为0.1‑5毫米。
4.根据权利要求2所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述非绝缘衬底的材质包括硅、锗、金箔、铜箔、镍箔中的至少一种;所述绝缘层(2)的材质为二氧化硅、云母、六方氮化硼、氧化铝或氧化铪中的一种;衬底(1)的厚度为0.1‑5毫米,绝缘层(2)的厚度为10‑300纳米。
5.根据权利要求2所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述二硒化锡层(3)、二硒化钨层(4)、石墨烯层(5)的厚度依次分别为4‑50纳米、15‑
55纳米和0.7‑6纳米。
6.根据权利要求1所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述的第一金属电极(6)和第二金属电极(7)的材质为铟镓合金,或添加铟镓合金的金属;所述金属包括铜、铝、金、铂、钯中的一种或多种;所述的第一金属电极(6)和第二金属电极(7)的厚度均为10‑500纳米。
7.根据权利要求6所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件,其特征在于,所述添加铟镓合金的金属中,铟镓合金的含量为5‑50%。
8.如权利要求1‑7任一所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
1)衬底清洗
将待洗的衬底依次放入丙酮溶液、异丙酮、无水乙醇浸泡5‑7分钟后,分别依次以超声、去离子水冲洗,吹干后备用;
2)绝缘层的制备
当衬底为非绝缘衬底时,利用热氧化法、气相化学沉积法、原子层沉积法或机械转移法在衬底表面制备绝缘层;
3)层状材料的制备
用机械剥离法或化学气相沉积法分别制备二硒化锡、二硒化钨、石墨烯层状材料;
4)石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的制备在二硒化锡层上旋涂PPC,加热使PPC与二硒化锡层结合,然后将PPC‑二硒化锡转移到绝缘层上,然后加热,并以丙酮清洗去除PPC;
用同样的转移方法,将二硒化钨层堆叠到二硒化锡层上得到二硒化钨‑二硒化锡叠层,再将石墨烯层堆叠到双层上得到石墨烯‑二硒化钨‑二硒化锡叠层;
5)电极的制备
分别在二硒化锡层和石墨烯层的端部刷涂液态铟镓合金,或蒸镀仪蒸镀铟镓‑金属合金,或磁控溅射仪中溅射铟镓‑金属合金,即获得所述基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件。
说明书 :
一种基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件及
其制备方法
技术领域
背景技术
异质结或PN结的光电探测器,石墨烯和MX2等二维材料的研究为超薄光电探测器件奠定了
基础,由于二维材料纳米级别的厚度和高的光吸收率,二维材料叠层结构光电传感器在尺
度和响应度上都会带来巨大提升。
子传感器,在二硒化钨层表面覆盖氮化硼层形成叠层结构,以提升传感器的稳定性。Chen Z
等人研究了一种基于石墨烯/InSe/MoS2异质结构的新型自驱动光电探测器,在自驱动模式
下,它表现出高光响应度和探测率(Chen Z,Zhang Z,Biscaras J,Shukla A.A high
performance self‑driven photodetector based on a graphene/InSe/MoS2 vertical
heterostructure.Journal of Materials Chemistry C.2018;6(45):12407‑12)。虽然上
述研究已经在一定程度上改善了光电器件的性能,但是仍然还存在一些共性问题,例如电
极和二维材料、二维材料和二维材料之间接触时容易形成肖特基势垒,大幅降低了光电流
等(Schottky W.Halbleitertheorie der sperrschicht[J].Naturwissenschaften,1938,
26(52):843‑843.),并不能完全满足对光电器件响应度的要求。
发明内容
石墨烯层5三层材料依次堆叠形成叠层结构;所述衬底1与绝缘层2上表面积相同,所述二硒
化锡层3上表面积小于绝缘层2;所述二硒化钨层4覆盖于二硒化锡层3上表面且二硒化钨层
4的一侧延伸至绝缘层2上表面;所述石墨烯层5覆盖于二硒化钨层4上表面且石墨烯层5的
一侧延伸至绝缘层2上表面,石墨烯层5与二硒化锡层3互不接触;所述第一金属电极6和第
二金属电极7分别位于叠层结构两侧,其中,所述第一金属电极6位于绝缘层2一侧的上表面
且与二硒化锡层3接触,第一金属电极6与二硒化钨层4和石墨烯层5均不接触;所述第二金
属电极7位于绝缘层2另一侧的上表面且与石墨烯层5延伸至绝缘层2的区域接触,第二金属
电极7与二硒化钨层4和二硒化锡层3均不接触。
绝缘衬底两种;当衬底1为绝缘衬底时,衬底1与绝缘层2材质相同且二者固为一体,所述绝
缘层衬底的材质包括氧化铝、普通玻璃、石英玻璃、云母、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、
PDMS(聚二甲基硅氧烷)中的至少一种;衬底1与绝缘层2的总厚度为0.1‑5毫米;当衬底1为
非绝缘衬底时,利用热氧化法、气相化学沉积法、原子层沉积法或机械转移法在衬底表面制
备绝缘层2,绝缘层2的材质包括SiO2、云母、六方氮化硼、氧化铝或氧化铪中的一种,非绝缘
材质的材质包括硅、锗、金箔、铜箔、镍箔中的至少一种;绝缘层2的厚度为10‑300纳米,非绝
缘衬底的厚度为0.1‑5毫米;不同的材质和厚度对光的吸收效率不同,导致光电流不同,影
响灵敏度。
积法制备;不同的材质和厚度对光的吸收效率不同,本申请中,上述二硒化锡层3、二硒化钨
层4、石墨烯层5的厚度依次分别优选为4‑50纳米、15‑55纳米和0.7‑6纳米;上述机械剥离法
及化学气相沉积法均为本领域的常规方法,如机械剥离法可以参见文献“Novoselov K S,
Geim A K,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomically thin crbon
films.Science,2004,306(5696):666‑669.”中所公开的方法,化学气相沉积法。
(J.M.Blocher Jr.,Structure/property/process relationships in chemical vapor
deposition CVD,J.Vac.Sci.Technol.11(1974)680‑686)
substrates for high‑quality graphenelectronics[J].Nature Nanotechnology,2010,
5(10):722‑726”中所公开的方法。
以为铟镓合金,或添加了铟镓合金的金属;所述添加了铟镓合金的金属中,铟镓合金的质量
百分数优选5‑50%;所述金属优选铜、铝、金、铂、钯中的一种。
Inc.,New York,1967.)、化学气相沉积方法(典型衬底如氧化硅,氧化铝)、原子层沉积(典
型衬底如氧化铝,氧化铪)(参见文献:T.Suntola and J.Antson.US Pat 4058.430(1977))
或机械转移法(典型衬底如云母,六方氮化硼)在衬底1表面制备绝缘层2。
的层状薄片。将胶带上层状薄片粘贴在绝缘层上,反复压实使其与目标基底粘结紧密,静止
5分钟后将胶带缓慢剥离,使材料置留在基底上。选取厚度为4‑50纳米的二硒化锡、厚度为
15‑55纳米的二硒化钨和厚度为0.7‑6纳米的石墨烯层状材料作为制备叠层结构的材料。
一定的温度和气压下生长成层状的薄膜。通过控制气体的流速、生长温度、生长气压和原料
的配比,制备出厚度为4‑50纳米的二硒化锡层状材料,厚度为15‑55纳米二硒化钨层状材
料,厚度为0.7‑6纳米石墨烯层状材料。4)石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的制备
层的PPC一侧,在显微转移台里将PPC‑二硒化锡转移到器件衬底或绝缘层的指定位置处;在
120℃下加热10分钟使PPC‑二硒化锡层与胶带分离;之后180℃下3分钟热处理,增加界面结
合性;再在室温下将结合于绝缘层的二硒化锡层在丙酮中清洗5分钟,去除残留PPC;
使探针与器件表面稳定接触,形成第一金属电极6和第二金属电极7;
和第二金属电极7;所述铟镓‑金属合金是指添加铟镓合金的金属,铟镓合金含量(质量百分
数)占铟镓‑金属合金质量的5‑50%;所述金属优选铝、铜、金、铂、钯。
层材料与铟镓合金具备优异的欧姆接触特性(非肖特基接触导致光电流和响应度大),且叠
层结构由于层间耦合作用和其它特性,因此制备的光电器件具有高的光响应度和灵敏度。
附图说明
具体实施方式
变为较薄层状薄片。将胶带上的层状薄片粘贴到氧化硅‑硅衬底上,反复压实,静止5分钟后
将胶带缓慢剥离,使材料置留在基底上,从而分别制备出所述三种层状材料。
的PPC一侧,在显微转移台里将PPC‑二硒化锡转移到绝缘层(二氧化硅层)的指定位置处;在
120℃下加热10分钟使PPC‑二硒化锡层与胶带分离;之后180℃下3分钟热处理,增加界面结
合性;再在室温下将结合于绝缘层的二硒化锡层在丙酮中清洗5分钟,去除残留PPC。
设电极6和电极7的位置,使探针与器件表面稳定接触,形成第一金属电极6和第二金属电极
7。基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡的光电探测器即制备完成。
和石墨烯层5三层材料依次堆叠形成叠层结构;衬底1与绝缘层2上表面积相同,二硒化锡层
3上表面积小于绝缘层2;二硒化钨层4覆盖于二硒化锡层3上表面且二硒化钨层4的一侧延
伸至绝缘层2上表面;石墨烯层5覆盖于二硒化钨层4上表面且石墨烯层5的一侧延伸至绝缘
层2上表面,石墨烯层5与二硒化锡层3互不接触;第一金属电极6和第二金属电极7分别位于
叠层结构两侧,其中,所述第一金属电极6位于绝缘层2一侧的上表面且与二硒化锡层3接
触,第一金属电极6与二硒化钨层4和石墨烯层5均不接触;所述第二金属电极7位于绝缘层2
另一侧的上表面且与石墨烯层5延伸至绝缘层2的区域接触,第二金属电极7与二硒化钨层4
和二硒化锡层3均不接触。
度为0.7纳米;第一金属电极6和第二金属电极7的材质均为铟镓合金。
同且二者固为一体,其材质可以选择氧化铝、普通玻璃、石英玻璃、云母、PET(聚对苯二甲酸
乙二醇酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)中的至少一种;衬底1与绝缘层2的总厚度为0.1‑5毫米。
当衬底1为非绝缘衬底时,利用热氧化法、气相化学沉积法、原子层沉积法或机械转移法在
衬底表面制备绝缘层2,绝缘层2的材质包括SiO2、云母、六方氮化硼、氧化铝或氧化铪中的
一种,非绝缘材质的材质包括硅、锗、金箔、铜箔、镍箔中的至少一种;绝缘层2的厚度为10‑
300纳米,非绝缘衬底的厚度为0.1‑5毫米。以上两种衬底材质,均可实现发明之目的。
用性源表)下分别测量光照条件和暗环境下器件的VDS和IDS,并作出输出曲线。
应度只有110mA/W(Chen Z,Zhang Z,Biscaras J,Shukla A.A high performance self‑
driven photodetector based on a graphene/InSe/MoS2vertical
heterostructure.Journal of Materials Chemistry C.2018;6(45):12407‑12),说明本
实施例获得的光电器件具有优异光电性能。
3、厚度为20纳米二硒化钨层4、厚度为0.7纳米石墨烯层5.第一金属电极6和第二金属电极7
为添加了铟镓合金的金电极。
镓‑金属合金为靶材,在0.6毫米厚的石英玻璃表面蒸镀铟镓‑金属合金6分钟,制备第一金
属电极6和第二金属电极7。
的金属(如金、铂、钯中的一种或多种),铟镓‑金属合金中,铟镓合金含量(质量百分数)占铟
镓‑金属合金质量的5‑50%。
上由下往上依次堆叠厚度为8纳米二硒化锡层3、厚度为17纳米二硒化钨层4、厚度为1纳米
石墨烯层5。第一金属电极6和第二金属电极7为铟镓合金,其结构如图4所示。
μA,说明本实施例获得的光电器件具有优异光电性能。