一种石墨烯基碲镉汞材料及其制备方法与流程

本发明涉及红外探测技术领域，特别涉及一种石墨烯基碲镉汞材料及其制备方法。

背景技术：

红外探测技术是航天侦察、导弹预警、临近空间目标探测、机载火控、舰载侦察的重要手段，红外探测材料的探测性能是影响红外探测系统灵敏度的关键。半个多世纪以来，基于碲镉汞、II类超晶格等光电探测材料的红外焦平面器件得到快速发展，极大地促进了红外成像与探测技术的发展，使红外探测装备的探测灵敏度得到大幅度提升，温度灵敏度达到几十mK(10^-2K量级)，较好地满足了武器装备需求。

为了满足航天侦察、预警探测、机载火控等武器装备对敌方目标的远距离、大范围、全被动探测等方面的需求，对红外探测系统的探测灵敏度的要求日益提高；同时，随着红外隐身技术的发展，新一代隐身战斗机、远程隐身轰炸机、海面隐身舰艇等目标的雷达及红外隐身能力日趋完善，空中、海面及水下目标的红外辐射强度日益降低，为实现对隐身目标的稳定探测，需要进一步提高红外探测系统的探测灵敏度。但同时，目前碲镉汞红外探测材料的量子效率已经达到70％左右，使用上述红外红探测材料研制的红外焦平面探测器的探测灵敏度已接近或达到理论性能极限，以目前的红外探测材料为基础，采用优化红外焦平面器件性能来将其探测灵敏度提升2个量级以上的技术途径面临着严竣挑战。

技术实现要素：

为了进一步提高红外探测系统的探测灵敏度，本发明提供了一种石墨烯基碲镉汞材料及其制备方法。

本发明提供的一种红外探测材料(石墨烯基碲镉汞材料)，包括红外光吸收层和电荷传输载体层；所述电荷传输载体层布设在所述红外光吸收层上；其中，所述电荷传输载体层由石墨烯材料制备得到。

本发明提供的一种红外探测材料(石墨烯基碲镉汞材料)的制备方法，包括以下步骤：

在衬底上面依次生长缓冲层、红外光吸收层；

在基底上面生长石墨烯层；

除去所述红外光吸收层的表层氧化层，并进行退火；除去石墨烯层下面的基底，并将所述石墨烯层转移至经退火处理后的红外光吸收层表面进行键合，得到红外探测材料。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例利用石墨烯材料作为光生载流子的输运层提升响应速率和探测器灵敏度，结合了石墨烯材料的独特能带结构、超高载流子迁移率、超宽光谱吸收的特性以及碲镉汞材料的极高量子效率性能，可适应新一代武器装备和电子系统发展对红外探测器的需求，解决提高探测距离、拓展探测频段、提升探测精度等武器装备性能发展瓶颈问题，实现红外探测灵敏度从几十mK向亚mK方向发展，支持新一代中远程光电探测装备从分立、局部战场感知走向高分辨、全天候、宽光谱、全球多维信息获取。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明装置实施例红外探测材料的结构示意图；

图2是本发明装置实施例实例1的红外探测材料的结构示意图；

图3是本发明方法实施例红外探测材料制备方法的流程图；

图4是本发明方法实施例除去石墨烯薄膜下面基底的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

石墨烯材料在光电探测应用方面具有先天的优势。作为一种碳纳米材料，石墨烯拥有特殊的能带结构(零带隙、零有效质量)，进而使得其具有高达200000cm²V^-1s^-1的超高载流子迁移率和从可见光到远红外的超宽光谱吸收，在光电探测器方面展现出从紫外到红外的宽谱响应及超快探测的性能。作为一种二维原子晶体，石墨烯二维特性与现有的硅工艺线完美兼容；此外，石墨烯材料的二维特性还可以避免由于像元尺寸减小而产生的漏电现象，有望实现超高密度像元阵列，从而实现高分辨率；并且该材料具有极低功耗、极高灵敏且超轻超稳定。这些优越的性质及特殊的二维结构使其在国防军事上有着广泛的应用前景。

根据本发明的装置实施例，提供了一种红外探测材料，图1是本发明装置实施例红外探测材料的结构示意图，如图1所示，根据本发明装置实施例的红外探测材料包括包括红外光吸收层和电荷传输载体层；所述电荷传输载体层布设在所述红外光吸收层上；其中，所述电荷传输载体层由石墨烯材料制备得到。

具体的，所述红外光吸收层生长在设有缓冲层的衬底上。

具体的，所述红外光吸收层由碲镉汞材料制备得到。

具体的，所述红外光吸收层的厚度为1～5微米。

具体的，所述电荷传输载体层由单层或多层石墨烯层构成，单层或多层石墨烯层作为电极层以及盖帽层。所述石墨烯层为高速电荷传输层，最大限度的提升电荷的传输速度，降低传输层由于产生-复合产生的暗电流，提升红外探测的极限性能。

当光线入射的时候，红外光吸收层吸收入射光，产生光生电子-空穴对，其中一种电荷传输到石墨烯上，在外加偏压的作用下快速传输形成光电流。基于碲镉汞优异的光吸收特性，把碲镉汞吸收层作为栅极，吸引出石墨烯中另外一种电荷，进而提高光电流，增加光电导增益。采用石墨烯基碲镉汞红外探测材料复合从理论上可以获得红外波段的极高光电响应度。

为了详细的说明本发明的红外探测材料，给出实例1。

图2是本发明装置实施例实例1的红外探测材料的结构示意图，如图2所示，红外探测材料包括下至上依次排列的衬底、缓冲层及红外光吸收层和电荷传输载体层。

所述衬底的材质为Si、GaAs，Ge、InSb、CdZnTe、GaSb、或蓝宝石中的一种，以及碲镉汞可预见的其他衬底；所述缓冲层的材质为ZnTe、CdTe，厚度为几十埃到几百埃；所述红外光吸收层(由碲镉汞材料制备得到)的厚度为1～5微米。

通过外延或者沉积的方式生长1-5微米左右的红外光吸收层，截止波长可以包括短波、中波、长波以及甚长波。

所述电荷传输载体层由1～10石墨烯层构成，

本发明装置实施例采用光吸收和电荷传输分开的方法来提高探测器的灵敏度，基于石墨烯材料的独特能带结构、超高载流子迁移率、超宽光谱吸收的特性，结合碲镉汞材料的极高量子效率性能，通过将碲镉汞红外半导体材料吸收层和石墨烯结合的办法，使碲镉汞红外半导体材料扮演光吸收体的角色，石墨烯则充当电荷传输载体，得到了具有极高红外辐射响应度、超宽光谱响应范围的新一代石墨烯基复合红外探测材料，大幅度提升其红外辐射响应度和探测灵敏度。

根据本发明的方法实施例，提供了一种红外探测材料的制备方法，图3是本发明方法实施例红外探测材料制备方法的流程图，如图3所示，根据本发明方法实施例的红外探测材料的制备方法包括以下步骤：

步骤301：在衬底上面依次生长缓冲层、红外光吸收层。

具体的，所述衬底的材质为Si、GaAs，Ge、InSb、CdZnTe、GaSb、或蓝宝石中的一种，或者碲镉汞可预见的其他衬底。

步骤302：在基底上面生长石墨烯薄膜。

具体的，所述基底的材质为金属箔(例如Cu)或Si衬底。

具体的，步骤302具体包括以下步骤：

采用气相沉淀或氧化还原法在基底上生长石墨烯薄膜。

步骤303：除去所述红外光吸收层的表层氧化层，并进行退火；除去石墨烯层下面的基底，并将所述石墨烯层转移至经退火处理后的红外光吸收层表面进行键合，得到红外探测材料。。

具体的，除去所述碲镉汞薄膜层的表层氧化层，并进行退火具体包括以下步骤：

将所述红外光吸收层进行磨抛，除去所述红外光吸收层的表层氧化层(5-10微米左右的碲镉汞薄膜材料)；

将去除表层氧化层后的红外光吸收层进行P型退火，获得p型浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3量级的红外光吸收层。

图4是本发明方法实施例除去石墨烯薄膜下面基底的示意图。

为了更加详细的说明本发明方法实施例，给出实例2。

本发明的一种红外探测材料的制备方法包括以下的步骤：

步骤A：理论计算。根据材料响应波长范围，设定碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)组分的参数、厚度；计算出与碲镉汞能级匹配的石墨烯材料厚度、掺杂情况。

步骤B：碲镉汞材料制备。采用晶格匹配碲锌镉衬底或其他替代衬底，通过液相外延或金属气相沉积、分子束外延等方式外延一定厚度碲镉汞薄膜，厚度为微米量级；

步骤C：键合前处理。生长完后的碲镉汞表面经化学清洗去除表层氧化层、退火等工艺后等待与石墨烯键合；

步骤D：石墨烯薄膜制备。采用气相沉积或氧化还原以及其他常规石墨烯制备方法在Cu箔或其他基底生长石墨烯薄膜；

步骤E：转移与键合。石墨烯剥离以及转移，通过去除石墨烯生长所需的基底材料，获得石墨烯薄膜转移至步骤C中的碲镉汞表面实现键合；

其中，在所述的步骤A中，基于石墨烯和碲镉汞材料的不同特性素，进行石墨烯基复合红外探测材料的工作机制、石墨烯和碲镉汞材料的能级匹配、石墨烯和碲镉汞材料载流子高速转移等方面的理论计算，获得石墨烯基碲镉汞材料结构设计，结构类似附图1。

其中，在所述的步骤B中，衬底采用(111)或(211)碲锌镉、Si、GaAs、Ge、InSb、蓝宝石、GaSb等衬底经清洗后装入生长设备，生长组分合适的碲镉汞薄膜，随后降温至室温取出测试表征；

其中，在所述的步骤C中，碲镉汞薄膜材料经磨抛后剩余5-10微米左右的碲镉汞薄膜材料，经p型退火，获得p型浓度为10¹⁵cm^-3-10¹⁷cm^-3量级的薄膜材料。

其中，在所述的步骤D中，石墨烯为单层或多层石墨烯层。

综上所述，依照本发明的一种石墨烯基碲镉汞材料及其制备方法，利用石墨烯和碲镉汞材料优势制备复合材料，本身工艺的操作性强。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。