基于独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器及制备方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种基于独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器及制备方法，属于光电探测器技术领域。

背景技术：
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光电探测器是利用半导体材料的光电效应原理而制得的一种光电探测装置，其在军事和国民经济的各个领域均有广泛应用。近年来，二维半导体纳米材料由于其巨大比表面积、独特的电子结构和光电特性成为制备高性能光电器件的理想候选材料，进而受到了人们的广泛关注和研究。目前，以二维半导体纳米材料为基础制备的光电探测器均以平面型结构为主(q.h.wangetal.,natnanotechnol,2012,7,699-712；d.jariwalaetal.,acsnano,2014,8,1102-1120)。得益于二维材料超薄的特性，通过复杂的光刻及微纳加工工艺可以制备出超薄的光电探测器。然而这种平面结构的二维超薄光电探测器具有明显缺点和不足(g.fiorietal.,natnanotechnol,2014,9,768-779)：(1)由于与金属电极接触面积较大导致电接触问题复杂，容易导致漏电流；(2)受基底影响严重，容易引起掺杂和散射；(3)吸光能力有限，对入射光线反射严重。针对以上问题，发展出二维半导体纳米材料为基础的具有垂直结构的光电探测器无疑是一种十分新颖而有效的解决途径。

技术实现要素：
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针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器及制备方法。

本发明的基于独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的制备方法，它的制备方法为：

步骤一：在导电衬底上制备出独立式垂直排列的二硫化锡纳米片；

步骤二：旋涂一层透明绝缘层后烘干以将二硫化锡纳米片封装起来；

步骤三：用等离子刻蚀工艺将部分透明绝缘层刻蚀掉，重新暴露出部分二硫化锡纳米片；

步骤四：蒸镀一层透明金属电极，完成器件。

作为优选，所述步骤一中所述的独立式垂直排列的二硫化锡纳米片的制备工艺为化学气相沉积法，生长所用导电衬底为氟掺杂二氧化锡(fto)透明导电玻璃，生长温度小于450℃，生长时间为5min。

作为优选，所述步骤二中所述的透明绝缘层为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；旋涂参数为500rpm转速下保持30s，然后1000rpm转速下保持30s，重复3-5次；烘干温度为120℃，保持时间为5-10min。

作为优选，所述步骤三中所述的等离子刻蚀工艺为氧气等离子体，射频电源功率为18w，刻蚀时间为10-30min不等，其目的为刻蚀掉上层pmma直至获得重新暴露的小部分二硫化锡纳米片。

作为优选，所述步骤四中所述的蒸镀为热蒸镀，金属电极为纯度99.99％的金，蒸镀厚度为20nm。

一种基于独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器，它包括金电极、pmma绝缘层、垂直二硫化锡纳米片和导电衬底fto玻璃；所述金电极为正极，fto玻璃为负极，垂直二硫化锡纳米片为光电转换核心单元，pmma绝缘层包覆着中间的二硫化锡纳米片，并隔绝上下电极防止短路。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用化学气相沉积工艺，在较低温度下(<450℃)制备出独立式垂直排列的二硫化锡纳米片；

2、由于生长温度较低，没有破坏fto衬底良好的导电特性，保证了光电探测器制备的可行性与可靠性；

3、独立式二硫化锡纳米片特有的垂直结构决定了其与导电基底及金属电极接触面积较小，具有良好的电接触，避免了基底对其造成的散射和掺杂的影响；垂直排列的纳米片之间可以相互反射或折射入射光增加了光吸收，利于提高光电探测性能；

4、制备工艺实施简单、重复性好，避免了繁琐而复杂的光刻技术的使用，为二维半导体纳米材料，尤其是垂直生长的半导体纳米材料在光电器件构筑与应用方面提供可靠制备范例。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中独立式垂直排列二硫化锡纳米片的扫描电子显微镜扫描电子显微镜照片；

图3为本发明的制备流程示意图；

图4a、图4b、图4c为本具体实施方式中独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的扫描电子显微镜照片；

图5为本发明的导电衬底fto在生长独立式二硫化锡纳米片前后的电流-电压特性曲线对比图；

图6为本发明实施例1所示的独立式垂直二硫化锡纳米片与对比例1制备的传统平行二硫化锡纳米片在fto衬底上的紫外-可见吸收光谱图；

图7为本发明中独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的光电性能测试结果：其中图7a为不同光照条件和强度下的电流-电压特性曲线；图7b、图7c为偏压为2v，490nm波长，光照强度为475μw/cm²时的光响应曲线；

图8为对比例1所示的二硫化锡纳米片为基础制备的平行光电探测器的光电性能测试结果：其中图8a为不同光照条件和强度下的电流-电压特性曲线，插图为所制备的平行二硫化锡纳米片光电探测器光学照片；图8b为偏压为2v，490nm波长，光照强度为475μw/cm²时的光响应曲线。

图中：1-金电极；2-pmma绝缘层；3-垂直二硫化锡纳米片；4-导电衬底fto玻璃。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包括金电极1、pmma绝缘层2、垂直二硫化锡纳米片3和导电衬底fto玻璃4；图1中金电极为正极，fto玻璃4为负极，垂直二硫化锡纳米片3为光电转换核心单元，pmma绝缘层2包覆着中间的二硫化锡纳米片，并隔绝上下电极防止短路。

如图2所示，利用化学气相沉积工艺，在生长温度～450℃，生长时间为5min时，可在fto衬底上生长出具独立式垂直的二硫化锡纳米片。

如图3所示，在生长后的fto衬底(图3b)上旋涂一层pmma以将垂直的二硫化锡纳米片完全包覆，其中旋涂参数为500rpm转速下保持30s，然后1000rpm转速下保持30s，重复3-5次后，在120℃下保持5-10min烘干(图3c)。然后用氧气等离子体，在射频电源功率为18w条件下，刻蚀10-30min以去掉上层pmma直至获得重新暴露的小部分二硫化锡纳米片(图3d)。最后用热蒸镀工艺蒸镀一层厚度为20nm的金作为电极(图3e)。

如图4所示，为本实施例所示独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的扫描电子显微镜照片(图a-c)。从图4a和图4b可以看出垂直二硫化锡纳米片的大部分被pmma包裹，暴露出的小部分纳米片是氧气等离子体刻蚀的结果。图4c为所制备的垂直光电探测器的横断面扫描电子显微镜照片，可看出，器件中的二硫化锡纳米片与fto衬底具有良好接触，并保持了其垂直结构，纳米片大部分被镶嵌在pmma绝缘层中，上层为金电极。

如图5所示，它为本发明实施例所示的导电衬底fto在生长独立式二硫化锡纳米片前后的电流-电压特性曲线对比图。从图中可以看出，在生长温度～450℃下热处理后仍保持了其原有的良好导电性，进而验证了本实施例中二硫化锡纳米片垂直光电探测器制备的可行性与可靠性。

如图6所示，它为本发明实施例所示的独立式垂直二硫化锡纳米片与对比例1所示的传统平行二硫化锡纳米片在fto衬底上的紫外-可见吸收光谱图。从图中可以看出，相较对比例1所示的平行二硫化锡纳米片而言，本发明实施例所示的垂直二硫化锡纳米片在300-800nm波长范围内均展现出了高的紫外-可见光吸收能力。

如图7所示，它为本发明实施例所示的独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的光电性能测试结果：图7a为不同光照条件和强度下的电流-电压特性曲线；图7b，图7c为偏压为2v，490nm波长，光照强度为475μw/cm²时的光响应曲线。可以看出，该垂直光电探测器的对光照有明显响应，最大电流开关比为19；光响应时间快，重复性好，光响应上升和衰退时间仅为43.4ms和64.4ms。

对比例1：

本对比例以二硫化锡纳米片为基础制备了传统平面结构的光电探测器，并将其与本发明实施例所示的独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的光电性能作比较。

如图2所示，利用化学气相沉积工艺，在生长温度～450℃，生长时间为5min时，可在fto衬底上生长出具垂直的二硫化锡纳米片。

将生长有垂直的二硫化锡纳米片的fto衬底放入乙醇中超声5-10s，得到含有二硫化锡纳米片的乙醇溶液；随后取3-5ml上述溶液滴涂到sio2/si衬底，将其在80℃下烘干得到平行二硫化锡纳米片；然后用肋宽为5μm的铜网为掩模，利用热蒸镀工艺在上面蒸镀厚度为30nm的金作为导电电极，去掉铜网后得到平面结构的二硫化锡纳米片光电探测器；器件测试之前，在200℃下退火30min以保证金属电极与纳米片之间形成良好电接触。

如图6所示，它为对比例1所示的传统平行二硫化锡纳米片与实施例1所示的独立式垂直二硫化锡纳米片在fto衬底上的紫外-可见吸收光谱图。从图中可以看出，平行二硫化锡纳米片在300-800nm波长范围内的紫外-可见吸收强度均低于实施例1所示的独立式垂直二硫化锡纳米片的。

如图8所示，它为对比例1所示的二硫化锡纳米片为基础制备的平行光电探测器的光电性能测试结果：图8a为不同光照条件和强度下的电流-电压特性曲线，插图为所制备的平行二硫化锡纳米片光电探测器光学照片；图8b为偏压为2v，490nm波长，光照强度为475μw/cm²时的光响应曲线。从图中可以看出，该二硫化锡纳米片平行光电探测器对光照的响应非常差，电流开关比不到1.3；其光响应时间非常慢，上升和衰退时间均超过100s，远远落后于本发明实施例1所示的独立式二硫化锡纳米片的垂直光电探测器的光电性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。