一种自激发可存储式光电导器件及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及可存储式光电导器件。

背景技术：

光伏效应、光电导效应经常在光入射到pn结时发生。高效的光电器件往往具有优异的外量子效率，而光生电子空穴对的快速复合极大的缩短了载流子的寿命，进而限制了光电器件的外量子效率。为了获得优异的光电器件，科研人员尝试了多种策略，如采用新颖的p型、n型半导体材料或是设计新的功能界面。当前提高外量子效率主要是通过改善器件对光子的吸收来实现的，而对提高载流子寿命的研究相对较少。近年来，基于二维材料的范德瓦尔斯异质结在环境友好、高效的纳米能源器件方面异军突起，大量的研究表明其在光伏电池、光电探测等方面有着巨大的应用前景。范德瓦尔斯结的一个巨大优势是层间依赖的带隙结构使得我们在调控pn结物理特性时不会引入额外的无序性。异质结在对电子空穴对的捕获、光生电子空穴对寿命的提高及分离中起着重要作用。而当前的范德瓦尔斯异质结结几乎都是二维p型与n型材料构成的，另一些二维体系，如二维电子气，由于其奇异的物理特性而被广泛关注，但目前尚没有关于电子气的范德瓦尔斯异质结报道。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单、光电效率高、可存储的自激发可存储式光电导器件及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种自激发可存储式光电导器件的制备方法，包括如下步骤：

（1）将少层二硒化钨wse2片从块材wse2上转移到单晶钛酸锶srtio3衬底sto表面；

（2）在步骤（1）得到的样品一侧采用光刻工艺覆盖光刻胶，光刻胶覆盖面积占衬底wse2表面面积的1/2～2/3，衬底另一侧的其余面积呈wse2及sto表面暴露状态；

（3）采用磁控溅射工艺在步骤（2）获得的样品表面沉积金，再用丙酮将光刻胶去除后，步骤（2）中呈暴露状态的区域被金覆盖，覆盖光刻胶的部分呈wse2及sto暴露状态；

（4）再采用光刻工艺在金覆盖的一侧覆盖光刻胶，光刻胶将金覆盖的全部面积及暴露的wse2表面面积的1/2～2/3覆盖；

（5）采用离子束刻蚀工艺，将暴露的wse2及sto刻蚀，待暴露的wse2被全部刻蚀后，继续适量刻蚀sto衬底，直至被离子束刻蚀的sto衬底表面形成sto表面电子气sseg；

（6）经丙酮、酒精和去离子水依次清洗样品后，得到一种wse2/sseg的pn结的自激发可存储式光电导器件。

本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种wse2/ssegpn结的自激发可存储式光电导器件。

本发明提供的二硒化钨（wse2）/钛酸锶（srtio3，sto）表面电子气（stosurfaceelectrongas，sseg）（wse2/sseg）pn结，是一种可存储式光电导器件。该器件具有结构简单、外量子效率高、存储持久等特点。

在本发明技术方案中，以单晶sto衬底为绝缘氧化物，经离子束轰击后，其表层将形成纳米导电薄层——表面电子气sseg，为n型半导体；wse2为p型二维半导体材料，层与层之间靠范德瓦尔斯力结合在一起，本发明通过微机械剥离方法将少层wse2粘贴在单晶sto表面；金电极，使用微机械剥离法获得的wse2尺寸较小，不利于电极的制备，故本发明在wse2一侧镀金电极。

实验表明，本发明提供的可存储式光电导器件，在5v偏压下，光存储后、前的电流之比大于10⁹，其外量子效率高达4410000%。首先测试该器件充满电荷后2分钟的放电iv曲线，之后再次充满电，测试其7天后的放电iv曲线，对比发现两个iv曲线区别较小，表明存储2分钟、7天后的电荷量区别较小，侧面反映了其对光生载流子的存储时间长。

与现有技术相比，本发明提供的可存储式光电导器件以单晶sto为衬底，sseg作为n极，wse2作为p极,具有结构简单、光电效率高、可存储的特点。本发明提供了一种基于钛酸锶表面电子气的范德瓦尔斯异质结，可实现光生电子空穴对的存储，获得无限寿命的光生载流子；其工作过程自激励、外量子效率高且结构简单，可用于纳米能源器件领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导pn结的制备流程示意图。

图2为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导pn结的原子力显微镜及光学显微镜图片。

图3为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导器件的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导pn结充满电荷后2分钟与充满电荷后7天在黑暗下的iv曲线，插图为未充电荷与充满电荷后在黑暗下的iv曲线。

图5为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导pn结在不同功率密度的405nm光辐射下的存储电荷量（0-4伏内的存储电荷量）与光照时间的关系曲线。

图6为本发明实施例提供的自激励可存储式光电导pn结在不同波长光辐射下充满电荷后黑暗下的iv曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的以及优点更清晰，下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的说明。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的wse2/sseg的pn结制备流程示意图；具体步骤为：

s1：利用胶带将少层wse2片从块材wse2上转移到单晶sto衬底表面，获得的样品结构如图s1所示；

s2：在样品的一侧使用光刻技术将wse2面积2/3的表面及该侧的sto衬底用光刻胶覆盖，其余部分则呈暴露状态，获得的样品结构如图s2所示；

s3：采用磁控溅射技术在上一步获得的样品表面沉积金，再用丙酮将光刻胶去除后，则图s2中呈暴露状态的区域被金覆盖，其余部分呈wse2暴露状态，获得的样品结构如图s3所示；

s4：再次使用光刻技术将金覆盖一侧的wse2其面积的2/3及该侧金覆盖的表面用光刻胶覆盖，获得的样品结构如图s4所示；

s5：使用离子束刻蚀暴露出来的wse2及sto，待暴露出来的wse2被全部刻蚀掉后再继续适量刻蚀sto衬底，直至被离子束刻蚀的sto衬底表面形成电子气sseg（stosurfaceelectrongas，sseg），获得的样品结构如图s5所示；

s6：依次用丙酮、酒精和去离子水清洗样品，则完成了wse2/sseg的pn结制备，它是一种具有自激励可存储式功能的光电导pn结，获得的样品结构如图s6所示。

参见附图2，是本实施例提供的自激励可存储式光电导pn结的原子力显微镜与光学显微镜图片，原子力显微镜图片是在光学显微镜图片中的虚线方框处测得；从图2可知其结构简单。

按上述制备方法得到的wse2/sseg的pn结，在两个金属电极间连接导线，两端加电压，制备自激发可存储式光电导器件，其结构示意图参见附图3。

参见附图4，为本实施例提供的自激励可存储式光电导器件充满电荷后2分钟与充满电荷后7天在黑暗下的iv曲线。测试是在同样的光辐射强度、照射时间后进行（光辐射时间足够久以确保pn结的存储电荷量达到饱和），在关闭光源2分钟与7天后测量pn结的iv曲线，前后两次测量的iv曲线差异较小，前后两次测量所使用的电压步长是一致的（测量时间一致），因此光生载流子数目在被保存7天后与2分钟后差异较小，表明wse2/sseg能长时间地稳定存储光生电子空穴对。

在不同功率密度的405nm光辐射下测试获得了存储电荷量与光照时间的关系曲线，如附图5所示。从图中可知，随着光功率密度的增大，pn结存储电荷达到饱和所需的时间越来越短，不同光功率密度辐射下的pn结拥有相近的存储电荷饱和值，表明pn结的电荷存储能力与光功率密度无关。

参见附图6，为本实施例提供的自激励可存储式光电导pn结在不同波长光辐射下充满电荷后的放电iv曲线，pn结在测试前都经过电荷的耗尽与相应波长光的长时间照射，以确保存储下来的电荷为该波长激发，电荷存储达到饱和。图中的×2、×5表示将曲线的纵坐标统一乘上2或是5，是为了更好的比较与区分不同的波长。辐射波长越短，则pn结的电荷存储能力越强，在长波长辐射下（532nm、655nm、808nm），pn结只能在21v下能存储电荷，表明在长波长的光子能量在高于21v的区域不足以激发电荷存储行为。

本发明提供的自激励可存储式光电导pn结具有优异的外量子效率、存储时间长、结构简单、稳定性强，在纳米能源器件领域具有应用前景。