基于石墨烯表面等离激元的光电材料可调吸收增强层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于石墨烯表面等离激元的光电材料可 调吸收增强层。
【背景技术】
[0002] 光电材料的吸收性能对于光电器件性能有着重要的影响。光伏器件、光电探测器 等光电器件，都是依赖于光电材料将吸收的光转化为电能或者电信号来实现其功能的。在 转化效率一定的情况下，吸收的光越多，产生的电能或者电信号的强度就越大，光电器件的 整体效率就越高。
[0003] 在一些光电器件中，如薄膜太阳能电池，受光电材料载流子寿命的限制，或者为了 减少材料的使用，降低成本，光电材料的厚度较薄，对于光的吸收效率往往都比较低，因而 增强这类光电器件中光电材料的吸收成为一项重要的课题。低的吸收效率对于器件性能的 影响在基于二维材料的光电器件中表现的更为明显。近年来二维光电材料在全世界范围内 吸引了广泛的研宄兴趣，并取得了重要进展。二维光电材料具有光电响应频谱范围广、厚度 薄以及极强的柔性等优点，在太阳能电池、光电探测器等领域具有极为重要的应用潜力。然 而，由于二维光电材料仅仅由单层或者数层原子组成，其对光的吸收通常都较弱，如石墨烯 在可见和近红外波段对光的吸收仅为2. 3%，这极大的限制了二维光电材料的整体光电效 率。
[0004] 为了增强光电材料的吸收，人们提出了利用F-P谐振腔、光子晶体、表面等离激 元等方式，并取得了显著的效果。其中，表面等离激元在增强光电材料的吸收方面尤为引 人注目（H.A.Atwater等，"Plasmonicsforimprovedphotovoltaicdevices''，Nature Materials，2010年，第9卷，205 - 213页）。但传统的表面等离激元材料主要是金、银等 贵金属，这些材料成本较高，而且与传统的半导体材料制作工艺不兼容，使得其在太阳能电 池、光电探测器等光电器件中的应用受到很大限制。
[0005] 近年来，石墨烯引起了广泛的关注。石墨烯是由单层碳原子在平面内呈六角形 蜂窝格子排列构成的一种二维层状材料。自从2004年单层石墨烯被研制成功之后，石 墨烯的研宄就吸引了全世界的目光。最近的研宄表明，掺杂的石墨烯同样可以在红外和 太赫兹波段支持表面等离激元。石墨烯的掺杂可以有不同的方式，如化学掺杂（B.Guo 等〃Graphenedoping:areview,''InsciencesJournal, 2011 年，第I卷，80 - 89 页）、 静电惨杂（K.S.Novoselov等，"Electricfieldeffectinatomicallythincarbon films，"Science，2004年，第306卷，666 - 669页）等。改变石墨烯的掺杂浓度，就可以 改变其费米能级，进而控制其光学和电学特性。利用静电掺杂的方式，还可以通过施加 外加电场控制石墨稀的费米能级，从而实现对其光学和电学特性的主动调控（Z.Fang等， "Gatedtunabilityandhybridizationoflocalizedplasmonsinnanostructured graphene，"ACSNano, 2013年，第7卷，2388 - 2395页）。因此，石墨稀作为一种新的表面 等离激元材料，正吸引越来越多的关注。相比于金、银等贵金属而言，用于制作石墨烯的 碳元素来源非常丰富。随着基于化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition,简称CVD) 等工艺的石墨稀大面积生长技术的进步和转移技术的发展（B.Sukang等，"Roll-to-roll productionof3〇-inchgraphenefilmsfortransparentelectrodes''，Nature Nanotechnology，2010年，第5卷，574-578页），石墨稀的低成本、大规模生长正在逐渐成 为可能。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种应用于光电材料的高效率、低成本 的光电吸收增强层，将该吸收增强层应用于太阳能电池、光电探测器等光电器件所使用的 光电材料上面，可以提高光电材料的吸收效率，同时实现对光电材料吸收特性的主动调控， 拓展其在可调光谱选择性探测等领域的应用。
[0007] 本发明基于以下两方面原理：1.当入射光照射到具有微纳结构的掺杂石墨烯上 时，可以在特定的共振波长激发石墨烯表面等离激元，从而将光的能量局域在石墨烯微纳 结构附近。在光电器件所使用的光电吸收层上增加一层具有微纳结构的掺杂石墨烯之后， 被局域在石墨烯附近的光就可以反复的与光电吸收层相互作用，从而达到增强光电材料吸 收性能的目的；2.激发出来的石墨烯表面等离激元性质与石墨烯的费米能级有关，通过静 电掺杂的方式控制石墨烯的费米能级，就能够利用外加电源控制石墨烯表面等离激元的共 振波长和光电吸收层的吸收光谱（也就是控制光电材料吸收增强的波长位置和增强的幅 度），进而实现对光电器件光谱响应的控制。
[0008] 本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯表面等离激元的光电材料可调吸收增 强层，构成该增强层的石墨烯为由单层石墨烯构成的具有微纳米尺度结构特征的薄膜，石 墨稀被掺杂到一定浓度，其费米能级Ef> 0.IeV或Ef< -0.leV，以便将石墨稀变成一种表 面等离激元材料。所述微纳结构用于实现入射光与石墨烯表面等离激元模式之间的波矢匹 配。掺杂的石墨烯微纳结构在入射光照射下，产生表面等离激元，实现对光的局域。
[0009] 进一步的，所述石墨稀微纳结构是指石墨稀结构在其所在平面内至少一个方向上 的特征尺度为数纳米到数微米之间。例如，直径在数纳米到数微米之间的石墨烯圆盘，宽度 在数纳米到数微米之间的石墨烯条带，边长为数纳米到数微米之间的石墨烯方块或其它形 状构成的周期性阵列，或者具有类似结构特征的非周期性结构，或者与之互补的在连续石 墨烯薄膜上有微纳米尺度孔的结构。
[0010] 进一步的，所述光电材料为光电探测器或者太阳能电池中的光电转化活性材料， 其作为光电吸收层与衬底、介质间隔层和由石墨烯微纳结构构成的吸收增强层构成了光电 探测器或者太阳能电池的光电能量转化结构单元，所述结构单元从上往下依次为吸收增强 层、介质间隔层、光电吸收层和衬底，其中吸收增强层覆盖于光电吸收层的表面，与光电吸 收层之间用一层介质间隔层隔开，介质间隔层可以更好的发挥石墨烯微纳结构的吸收增强 效果，所述吸收增强层、介质间隔层和光电吸收层附着于衬底上。
[0011] 进一步的，所述光电材料可以是半导体、量子点、量子阱等体状薄膜材料，也可以 是石墨烯、硫化钼、硒化钨等二维材料。
[0012] 进一步的，所述石墨烯微纳结构吸收增强层的工作波长可以从可见光到太赫兹波 段。
[0013] 进一步的，所述掺杂石墨烯可以通过化学掺杂的方式获得；通过化学掺杂的方式 可以获得具有稳定掺杂浓度的石墨烯，具体的掺杂浓度可以根据实际需要确定。在不需要 对石墨烯掺杂特性进行动态调控的情况下，化学掺杂因为结构较为简单，且不需要外加电 源，因而相对来说具有优势。
[0014] 进一步的，所述掺杂石墨烯可以通过静电掺杂的方式获得；通过静电掺杂的方式 改变石墨烯掺杂的浓度，可以对石墨烯微纳结构的光学特性进行动态调控，从而改变光电 材料的吸收特性，使光电材料在不同的波长实现吸收增强。
[0015] 进一步的，静电掺杂可以单独应用于石墨烯，也可以应用于已经进行化学掺杂的 石墨烯，以便进一步的实现对其掺杂特性的动态调控。
[0016] 进一步的，所述介质隔离层厚度为（O-lOOO)nm，介质隔离层的材料为对所工作波 段光具有低吸收特性的介质材料，如三氧化二铝（Al2O3)、氧化镁（MgO)、二氟化镁（MgF2)、 二氧化钛（TiO2)、五氧化二银（Nb2O5)、二氧化铪（HfO2)、二氧化娃（SiO2)、二氟化妈（CaF2) 或氮化硼（BN)中的任意一