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一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法

阅读：643发布：2021-03-02

IPRDB可以提供一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法，其中，所述光电传感器包括设置在衬底上的带隙半导体薄膜以及交叉堆叠在所述带隙半导体薄膜上表面的导流薄膜，所述带隙半导体薄膜和导流薄膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述带隙半导体薄膜的两端以及导流薄膜的两端均通过金属电极固定在所述衬底上。本发明的光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖红外光区域，可广泛用于弱光检测、红外探测等。，下面是一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，包括设置在衬底上的带隙半导体薄膜以及交叉堆叠在所述带隙半导体薄膜上表面的导流薄膜，所述带隙半导体薄膜和导流薄膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述带隙半导体薄膜的两端以及导流薄膜的两端均通过金属电极固定在所述衬底上。

2.根据权利要求1所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，所述带隙半导体薄膜为黑磷薄膜。

3.根据权利要求2所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，所述黑磷薄膜的层数为1-5层。

4.根据权利要求1所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，所述导流薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。

5.根据权利要求1所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。

6.根据权利要求1所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其特征在于，所述金属电极的材料为金、钛、铬、镍和钨中的一种。

7.一种高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；

在另一二氧化硅基底上制备黑磷薄膜；

采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜交叉堆叠在所述黑磷薄膜表面，所述黑磷薄膜和垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结；

在所述黑磷薄膜两端以及垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的两端分别设置一金属电极。

8.根据权利要求7所述高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中，待所述二氧化硅基底腐蚀后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。

说明书全文

一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电传感器领域，尤其涉及一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 光电传感器能使光信号转换为可被测量的电信号，普遍应用于光通信、红外测距、环境监测、军事安全检查、生物医学成像与科学研究等。目前，高性能光电传感器是由晶体硅在可见光和近红外检测范围内占据着光电传感器市场的主导地位，然而，这些传感器通常具有严重的缺陷，包括厚材料使用，苛刻的制造条件，昂贵的制造工艺以及严格的操作要求等，并且硅基光电传感器对于红外光利用率比较差。不同于以往的只有原子层厚度（小于1nm）的石墨烯，本发明的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜是一种厚度为70nm-200nm的碳基薄膜材料。不同于现有碳膜/P型硅光电传感器，探测范围在350nm-1050nm的可见及近红外区域，本发明利用多层石墨烯嵌入式碳膜与少层黑磷薄膜形成异质结，产生一种通过控制少层黑磷薄膜的层数来调节光电响应范围,达到对820nm-2.5μm波长具有高灵敏响应的红外光电传感器。

[0003] 因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

[0004] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法，旨在解决现有光电传感器响应灵敏度较差以及对红外光的利用率较差的问题。

[0005] 本发明的技术方案如下：一种高灵敏红外异质结光电传感器，其中，包括设置在衬底上的带隙半导体薄膜以及交叉堆叠在所述带隙半导体薄膜上表面的导流薄膜，所述带隙半导体薄膜和导流薄膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述带隙半导体薄膜的两端以及导流薄膜的两端均通过金属电极固定在所述衬底上。

[0006] 所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其中，所述带隙半导体薄膜为黑磷薄膜。

[0007] 所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其中，所述黑磷薄膜的层数为1-5层。

[0008] 所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其中，所述导流薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。

[0009] 所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其中，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。

[0010] 所述的高灵敏红外异质结光电传感器，其中，所述金属电极的材料为金、钛、铬、镍和钨中的一种。

[0011] 一种高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；
在另一二氧化硅基底上制备黑磷薄膜；
采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜交叉堆叠在所述黑磷薄膜表面，所述黑磷薄膜和垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结；
在所述黑磷薄膜两端以及垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的两端分别设置一金属电极。

[0012] 所述高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中，待所述二氧化硅基底腐蚀后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。。

[0013] 有益效果：本发明提供的高灵敏红外异质结光电传感器中，所述带隙半导体薄膜和导流薄膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述光电异质结增加了光电响应灵敏度，并且通过控制黑磷薄膜的层数可有效利用不同波长的红外光。本发明的光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖红外光区域，可广泛用于弱光检测、红外探测等。

附图说明

[0014] 图1为本发明一种高灵敏红外异质结光电传感器较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0015] 本发明提供了一种高灵敏红外异质结光电传感器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0016] 请参阅图1，图1为本发明一种高灵敏红外异质结光电传感器较佳实施例的结构示意图，如图所示，所述高灵敏红外异质结光电传感器包括设置在衬底1上的带隙半导体薄膜2以及交叉堆叠在所述带隙半导体薄膜2上表面的导流薄膜3，所述带隙半导体薄膜2和导流薄膜3之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述带隙半导体薄膜2的两端以及导流薄膜3的两端均通过金属电极4固定在所述衬底1上。

[0017] 具体来讲，本发明在衬底上制成了由带隙半导体薄膜和导流薄膜组成的范德华结构异质结，当红外光源发射特定波长的红外光至所述范德华结构异质结上时，光子能量能够使得带隙半导体膜和导流薄膜的价带电子激发到导带，光子激发带隙半导体薄膜生成的光电子在与空穴复合之前，被导流薄膜的边界量子势阱俘获，生成光电流，大大增加了对光子的吸收，提高了光生载流子的产生，具有更小的噪声电流，从而显示出较高的光响应速率和高灵敏相应。本发明提供的高灵敏红外异质结光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖红外光区域。

[0018] 优选地，在本发明中，所述导流薄膜为垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜为柔性半透明的。本发明采用等离子体低能电子照射方法诱导生长出透明垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，在制备过程中，采用ECR（电子回旋共振）方法，以氩气等离子体作为照射电子源，通过直流溅射碳靶在二氧化硅基底表面生长碳纳米薄膜，再利用低能电子照射在所述碳纳米薄膜上诱导生长石墨烯纳晶。

[0019] 优选地，本发明采用ECR设备，通过低能电子照射时间来控制垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度。优选所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度为70-200nm，若所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度大于200nm，则影响透光性能，若所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度低于70nm，则不太利于石墨烯纳晶的生长。当垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的厚度为70-200nm时，既可保证其透光性能，同时还能够保证石墨烯嵌入式碳膜具有大量的边界量子势阱，从而极大地提高其俘获电子的能力，进而提升光电传感器的光电反应速度。

[0020] 进一步地，在本发明中，所述带隙半导体薄膜优选为黑磷薄膜。所述黑磷薄膜采用液相剥离法制备而成，首先将黑磷块放置在N-甲基吡咯烷酮中，利用超声振荡的方法超声分散24h，得到少层的黑磷纳米片，最后通过离心的方法将少层黑磷薄膜分离出来。具体来讲，不同的离心速度可分离得到不同层数的黑磷薄膜。

[0021] 更进一步地，由于黑磷薄膜的带隙随着层数的不同而会发生改变，通过控制黑磷薄膜的层数，可使本发明高灵敏红外异质结光电传感器的波长工作范围在820nm-2500nm之间进行调节。本发明优选所述黑磷薄膜的层数为1-5层。示例性地，当所述黑磷薄膜的层数为1时，此时的红外异质结光电传感器能够感应波长为820nm的光，当所述黑磷薄膜的层数为5时，此时的红外异质结光电传感器能够感应波长为2100nm的光。

[0022] 优选地，在本发明中，所述衬底的材料为二氧化硅或聚二甲基硅氧烷。

[0023] 优选地，所述金属电极的材料为金、钛、铬、镍和钨中的一种。

[0024] 在一种具体的实施方式中，所述光电异质结由垂直堆叠的黑磷薄膜和垂直生长的石墨烯嵌入式碳膜组成，首先在显微镜下利用探针机械地将黑磷薄膜剥离到新的二氧化硅衬底上；然后将垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅衬底放置在质量浓度为10-20%的氢氟酸中，浸泡1-5min后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜；最后通过定点转移的方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜转移到所述黑磷薄膜表面，所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜交叉堆叠与黑磷薄膜交叉堆叠，所述交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结。

[0025] 更进一步地，通过在新的二氧化硅衬底上固定金膜来作为金属电极，然后通过显微操作器将所述金属电极倾斜，与异质结对准并在高倍的光学显微镜下进行分配，形成垂直堆叠异质结构的光电传感器。优选地，在所述黑磷薄膜两端以及垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的两端各分配一金属电极，最终形成垂直堆叠异质结构的光电传感器。

[0026] 当红外光源发射特定波长的红外光在所述垂直堆叠的光电异质结上，入射光的光子能量激发黑磷薄膜生成光电子，异质结利用垂直生长的石墨烯嵌入式碳膜中的石墨烯边界量子势阱俘获光电子，大大增强了对光子的吸收，从而产生光电信号。进一步地，由于黑磷薄膜的带隙跟随层数多少而改变，通过控制黑磷薄膜的层数，可使光电传感器的工作范围在820nm到2500nm之间调节，本发明在红外区域的光电探测应用上拥有巨大的潜力。

[0027] 为了提高光电传感器的响应灵敏度，本发明优选所述垂直生长的石墨烯嵌入式碳膜的面积大于所述黑磷薄膜的面积。

[0028] 下面通过一具体实施例对本发明提供的一种高灵敏红外异质结光电传感器的光电相应性能进行测试，所述实施例中以垂直生长石墨烯嵌入式碳膜作为导流薄膜，以黑磷薄膜作为带隙半导体薄膜在红外光照下，光子能量使得黑磷薄膜和垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的价带电子激发到导带，光子激发黑磷薄膜生成的光电子在于空穴复合之前，被石墨烯的边界量子势阱俘获，生成光电流，通过多组重复试验，在不同波长的入射光的照射下，检测碳膜/黑磷薄膜异质结光电传感器的开路电压、光生电流以及对光信号的反应时间。最终测得的结果是，本发明提供的高灵敏红外异质结光电传感器对光信号的反应时间平均为0.25微秒，相对于现有的光电传感器对光信号的反应速度提高了30%。

[0029] 具体地，本发明还提供一种高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其中，包括步骤：预先通过ECR等离子体低能电子照射方法在二氧化硅基底上制备垂直生长石墨烯嵌入式碳膜，备用；
在另一二氧化硅基底上制备黑磷薄膜；
采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，通过定点转移方法将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜交叉堆叠在所述黑磷薄膜表面，所述黑磷薄膜和垂直生长石墨烯嵌入式碳膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结；
在所述黑磷薄膜两端以及垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的两端分别设置一金属电极。

[0030] 所述高灵敏红外异质结光电传感器的制备方法，其中，所述步骤采用氢氟酸腐蚀所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底，具体为：将所述垂直生长石墨烯嵌入式碳膜的二氧化硅基底浸泡在所述氢氟酸中，待所述二氧化硅基底腐蚀后，捞起漂浮状的垂直生长石墨烯嵌入式碳膜。

[0031] 优选地，所述氢氟酸的质量浓度为10-20%。

[0032] 综上所述，本发明提供一种高灵敏红外异质结光电传感器，包括设置在衬底上的带隙半导体薄膜以及交叉堆叠在所述带隙半导体薄膜上表面的导流薄膜，所述带隙半导体薄膜和导流薄膜之间的交叉重叠区域通过范德华相互作用形成光电异质结，所述光电异质结增加了光电响应灵敏度，并且通过控制黑磷薄膜的层数可有效利用不同波长的红外光。本发明的光电传感器结构简单、容易制备、光电响应速度快、光电输出能力高、光电响应范围涵盖红外光区域，可广泛用于弱光检测、红外探测等。

[0033] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
光电传感器-专利编号CN109596151A	2020-05-11	807
光电传感器-专利编号CN107430955B	2020-05-12	463
光电传感器-专利编号CN108917798A	2020-05-13	197
光电传感器-专利编号CN110275216A	2020-05-11	884
光电传感器-专利编号CN104865611B	2020-05-13	806
光电传感器-专利编号CN109506776A	2020-05-12	942
光电传感器-专利编号CN110274616A	2020-05-11	732
光电传感器-专利编号CN110612609A	2020-05-11	838
光电传感器-专利编号CN105588607B	2020-05-13	483
光电传感器-专利编号CN109581392A	2020-05-12	912

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