基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的制作方法

本实用新型涉及光探测器，具体涉及一种基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器。

背景技术：

光探测器是一种将光信号转化为电信号的装置，能够将发光物体进行探测和成像，广泛运用于成像系统、军事侦探、森林防火、卫星遥感和远程通信等领域。光探测器一般利用半导体材料的光电导效应制成的光电转换器件。所谓光电导效应，是指半导体材料在吸收光辐射后材料的电导发生改变的一种物理现象。半导体材料的禁带宽度决定了光探测器的光探测波长范围。光子的能量只有大于半导体的禁带宽度时，半导体才会吸收光子产生电子空穴对，从而改变半导体材料的电导，产生光响应。所以半导体探测器只对某一特定波段的光信号有探测能力。

石墨烯是一种零带隙二维材料，由于其优异的电学和光学性能，如高导电率、高电子迁移率、高导热率、高硬度等特点，使得石墨烯成为一种常见的宽光谱光探测器材料。但是，由于石墨烯低光吸收率及极短的光生载流子寿命，限制了它在光探测方面的应用。

红外光电探测器件在军事、民用和科学研究方面具有非常重要的应用。在红外光探测方面，以碲镉汞、硒化铅等为代表的材料由于自身的诸多优点在红外光电探测器的发展中起到了至关重要的作用，至今仍然是重要的战略战术应用中首选的材料体系。然而，由于碲镉汞等材料需要在低温环境(如液态氮降温)下才可以正常工作，硒化铅等材料需要施加偏置电压(电池甚至于市电供电)才能够正常工作，因此，他们的使用受到了很大程度的限制。

众所周知，材料体系按照其电子能带结构的不同可以划分为金属和绝缘体。近年来的研究表明，绝缘体可以进一步细分为平庸绝缘体和拓扑绝缘体。拓扑绝缘体表现出与一般绝缘体完全不一样的量子现象与物性，例如：拓扑保护的表面态、反弱局域化、量子自旋、反常霍尔效应等等。因此从被发现后，拓扑绝缘体立即成为了凝聚态物理、材料科学中的一大热点研究领域。拓扑绝缘体的一个重要特性是，小的微扰对其拓扑不会有影响，这就使得人们可以定义绝缘体的拓扑性质(也就是说，只要这个微扰不关闭绝缘体的能隙，绝缘体的拓扑性质就不会发生改变)。近年来人们发现了一类特别的金属体系，它们的低能激发可以用粒子物理中的2分量狄拉克方程即外尔方程来描述，因此这类材料体系被称为外尔半金属。外尔半金属虽然没有能隙，但是仍然具有拓扑非平庸行为。这些新奇的量子效应将为这些新材料带来诸多意想不到的新功能。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器及其探测方法。

本实用新型的一个目的在于提出一种基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器。

根据所探测光束的大小不同，本实用新型的光探测器采用不同的结构；如果探测的光束比较小，只覆盖探测器的一端，那么两个金属电极只需分别在钽铱碲纳米片的两端即可；如果探测光束比较大，覆盖探测器的两端，那么分别在钽铱碲纳米片两端的两个金属电极需采用功函数不同的两种金属。

本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器包括：基底、钽铱碲纳米片、第一金属电极和第二金属电极；其中，在基底不导电的表面上设置钽铱碲纳米片；钽铱碲纳米片的厚度小于100nm；在钽铱碲纳米片的两端分别设置第一金属电极和第二金属电极；第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路；钽铱碲纳米片的边端与第一金属电极或第二金属电极相接触，由于金属电极和钽铱碲纳米片的能带结构和功函数不同，必然会通过载流子的重新分布使得金属电极和钽铱碲纳米片的费米能级调整到同一水平上；一开始，由于金属电极费米能级较低，钽铱碲纳米片中的电子必定流向金属电极，从而在钽铱碲纳米片的表面留下电离施主，与金属电极表面的负电荷之间形成内建电场，方向指向金属电极；内建电场的作用使得接触面附近的能带发生弯曲，结果在钽铱碲纳米片表面和金属电极之间形成了高度为功函数之差的接触电势；当光照射在位于钽铱碲纳米片与金属电极相接触的一端时，激发出电子空穴对，在内建电场的作用下流动，从而产生光生电流；同时，由于钽铱碲纳米片是一种正交晶系的二维层状晶体，层与层之间以范德瓦尔斯力相连接，而每层的原子之间以更紧密的化学键连接，每个原子并不是固定不动的，而是以平衡位置为中心以诸多特有的模式进行简谐振动，在沿着原子链和垂直于原子链的不同方向上，晶格振动具有不同模式和特点；而偏振光具有特定方向的电场和磁场，如果具有不同方向电场即偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，由于光的偏振方向和原子链方向存在不同的夹角，即电场方向和晶格振动方向存在不同的夹角，其耦合作用是不同的，直接影响到光的吸收率，从而影响到光生电流的大小；通过外部的检测电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息或光偏振的信息；钽铱碲纳米片为零带隙材料，探测光谱范围广，并且不需要也不能外加偏压，在室温下具有灵敏的响应度，室温和低温均工作。

本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器包括：基底、钽铱碲纳米片、第一金属电极和第二金属电极；其中，在基底不导电的表面上设置钽铱碲纳米片；钽铱碲纳米片的厚度小于100nm；在钽铱碲纳米片的两端分别设置第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极所用的金属材料的功函数大于第二金属电极所用的金属材料的功函数；第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路；钽铱碲纳米片的边端与第一金属电极和第二金属电极相接触，由于金属电极和钽铱碲纳米片的能带结构和功函数不同，必然会通过载流子的重新分布使得金属电极和钽铱碲纳米片的费米能级调整到同一水平上；一开始，由于金属电极费米能级较低，钽铱碲纳米片中的电子必定流向金属电极，从而在钽铱碲纳米片的表面留下电离施主，与金属电极表面的负电荷之间形成内建电场，方向指向金属电极；内建电场的作用使得接触面附近的能带发生弯曲，结果在钽铱碲纳米片的表面和金属电极之间形成了高度为功函数之差的接触电势；当光照射在位于钽铱碲纳米片与第一和第二金属电极相接触的两端时，激发出电子空穴对；由于第一金属电极的功函数大于第二金属电极的功函数，第一金属电极与第二金属电极和钽铱碲纳米片之间的接触电势也有所不同，因此，从第一金属电极到第二金属电极之间也形成了一个电势差，使得光生载流子得以向同一方向定向移动，从而产生光电流；同时，由于钽铱碲纳米片是一种正交晶系的二维层状晶体，层与层之间以范德瓦尔斯力相连接，而每层的原子之间以更紧密的化学键连接，每个原子并不是固定不动的，而是以平衡位置为中心以诸多特有的模式进行简谐振动，在沿着原子链和垂直于原子链的不同方向上，晶格振动具有不同模式和特点；而偏振光具有特定方向的电场和磁场，如果具有不同方向电场即偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，由于光的偏振方向和原子链方向存在不同的夹角，即电场方向和晶格振动方向存在不同的夹角，其耦合作用是不同的，直接影响到光的吸收率，从而影响到光生电流的大小；通过外部的检测电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息或光偏振的信息；钽铱碲纳米片为零带隙材料，探测光谱范围广，并且不需要也不能外加偏压，在室温下具有灵敏的响应度，室温和低温均工作。

外部的检测电路包括：前置放大器和电流计；前置放大器将电光电流进行放大，经电流计检测放大后的光电流。如果光电流比较小，则进一步，检测电路还包括锁相放大器和光学斩波器，前置放大器对光电流进行放大后，锁相放大器基于光学斩波器的频率对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地放大。

第一和第二金属电极采用单层的导电金属层Au、Al或Cu；或者包括两层，在过渡金属层的表面再形成导电金属层，过渡金属层为过渡层和晶格适配的作用，可以使得导电金属层更牢固的粘在基底的表面上。

钽铱碲纳米片的水平尺寸越大探测效率越高。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的探测方法。

根据所探测光束的大小不同，本实用新型的光探测方法也不同。

探测的光束比较小，只覆盖探测器的一端，本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的探测方法，包括以下步骤：

1)在基底不导电的表面上设置钽铱碲纳米片，在钽铱碲纳米片的两端分别设置第一金属电极和第二金属电极，第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路；

2)钽铱碲纳米片的边端与第一金属电极或第二金属电极相接触，由于金属电极和钽铱碲纳米片的能带结构和功函数不同，必然会通过载流子的重新分布使得金属电极和钽铱碲纳米片的费米能级调整到同一水平上；

3)一开始，由于金属电极费米能级较低，钽铱碲纳米片中的电子必定流向金属电极，从而在钽铱碲纳米片的表面留下电离施主，与金属电极表面的负电荷之间形成内建电场，方向指向金属电极；

4)内建电场的作用使得接触面附近的能带发生弯曲，结果在钽铱碲纳米片表面和金属电极之间形成了高度为功函数之差的接触电势；

5)当光照射在位于钽铱碲纳米片与金属电极相接触的一端时，激发出电子空穴对，在内建电场的作用下流动，从而产生光生电流；

6)同时，由于钽铱碲纳米片是一种正交晶系的二维层状晶体，层与层之间以范德瓦尔斯力相连接，而每层的原子之间以更紧密的化学键连接，每个原子并不是固定不动的，而是以平衡位置为中心以诸多特有的模式进行简谐振动，在沿着原子链和垂直于原子链的不同方向上，晶格振动具有不同模式和特点；

7)而偏振光具有特定方向的电场和磁场，如果具有不同方向电场即偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，由于光的偏振方向和原子链方向存在不同的夹角，即电场方向和晶格振动方向存在不同的夹角，其耦合作用是不同的，直接影响到光的吸收率，从而影响到光生电流的大小；

8)通过外部的检测电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息或光偏振的信息；

9)钽铱碲纳米片为零带隙材料，探测光谱范围广，并且不需要也不能外加偏压，在室温下具有灵敏的响应度，室温和低温均工作。

探测光束比较大，覆盖探测器的两端，本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的探测方法，包括以下步骤：

1)在基底不导电的表面上设置钽铱碲纳米片，在钽铱碲纳米片的两端的上下表面分别设置第一金属电极和第二金属电极，第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路；

2)钽铱碲纳米片的边端与第一金属电极和第二金属电极相接触，由于金属电极和钽铱碲纳米片的能带结构和功函数不同，必然会通过载流子的重新分布使得金属电极和钽铱碲纳米片的费米能级调整到同一水平上；

3)一开始，由于金属电极费米能级较低，钽铱碲纳米片中的电子必定流向金属电极，从而在钽铱碲纳米片的表面留下电离施主，与金属电极表面的负电荷之间形成内建电场，方向指向金属电极；

4)内建电场的作用使得接触面附近的能带发生弯曲，结果在钽铱碲纳米片的表面和金属电极之间形成了高度为功函数之差的接触电势；

5)当光照射在位于钽铱碲纳米片与第一和第二金属电极相接触的两端时，激发出电子空穴对；

6)由于第一金属电极的功函数大于第二金属电极的功函数，第一金属电极与第二金属电极和钽铱碲纳米片之间的接触电势也有所不同，因此，从第一金属电极到第二金属电极之间也形成了一个电势差，使得光生载流子得以向同一方向定向移动，从而产生光电流；

7)同时，由于钽铱碲纳米片是一种正交晶系的二维层状晶体，层与层之间以范德瓦尔斯力相连接，而每层的原子之间以更紧密的化学键连接，每个原子并不是固定不动的，而是以平衡位置为中心以诸多特有的模式进行简谐振动，在沿着原子链和垂直于原子链的不同方向上，晶格振动具有不同模式和特点；

8)而偏振光具有特定方向的电场和磁场，如果具有不同方向电场即偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，由于光的偏振方向和原子链方向存在不同的夹角，即电场方向和晶格振动方向存在不同的夹角，其耦合作用是不同的，直接影响到光的吸收率，从而影响到光生电流的大小；

9)通过外部的检测电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息或光偏振的信息；

10)钽铱碲纳米片为零带隙材料，探测光谱范围广，并且不需要也不能外加偏压，在室温下具有灵敏的响应度，室温和低温均工作。

本实用新型的优点：

本实用新型采用钽铱碲纳米片作为光的探测材料，钽铱碲纳米片为零带隙材料，探测光谱范围广，并且不需要也不能外加偏压，在室温下具有灵敏的响应度，室温和低温均工作；本探测器对偏振光方向敏感，可以用于偏振探测；本实用新型的探测器可用于红外成像、军事侦察、夜视镜等领域，在军用设备方面有着广阔的应用前景；另外需要特别指出的是，基于本材料的光探测器不需要提供偏置电压即可产生相当高的光电流响应，并且暗电流非常低，并且本实用新型的光探测器也不能够外加偏置电压，否则会产生本底电流，而且基于本材料的光探测器也不需要提供低温环境(例如液态氮降温)，在室温下即可使用，这些将非常有助于探测器的微型化和经济化。

附图说明

图1为本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的一个实施例的示意图；

图2为本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器外接检测电路的一个实施例的结构框图；

图3为根据本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器的一个实施例检测到的光电流的示意图；

图4为根据本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器在不同功率的入射光照射的情况下产生的光电流的示意图；

图5为根据本实用新型的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器探测到的偏振的光电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的基于第二类外尔半金属钽铱碲的光探测器包括：基底1、钽铱碲纳米片2、第一金属电极3和第二金属电极4；其中，在基底1不导电的表面上设置钽铱碲纳米片2；在钽铱碲纳米片的两端分别设置第一和第二金属电极3和4；第一和第二金属电极分别连接至外部的检测电路A。

在本实施例中，基底1包括高掺杂硅导电层和位于其上的绝缘层，绝缘层为二氧化硅SiO2，高掺杂硅导电层采用P型掺杂或N型掺杂；第一金属电极3和第二金属电极4包括两层，下层过渡金属层为Ti，厚度5～10nm，上层导电金属层为Au，厚度100～300nm。

如图2所示，外部的检测电路包括：前置放大器、锁相放大器、光学斩波器和电流计；前置放大器将电光电流进行放大，锁相放大器基于光学斩波器的频率对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地放大，经电流计检测放大后的光电流。

图3示出了使用根据本实用新型的光探测器对不同波长的入射光进行探测的光电流响应图。如图3所示，十种入射光的波长分别为532纳米(功率61.9微瓦)、633纳米(功率78.3微瓦)、730纳米(功率47.8微瓦)、800纳米(功率47.3微瓦)、940微米(功率91.6微瓦)、1.2微米(功率98.9微瓦)、1.3微米(功率30.6微瓦)、1.55微米(功率49.7微瓦)、4微米(功率500微瓦)和10.6微米(功率600微瓦)。当激光关闭时，探测器的暗电流基本为零；当激光开启时，探测器产生的电流迅速增大，例如，在532纳米波长波段达到8微安每瓦，在1.55微米波段达到2微安每瓦，在4微米波段达到30微安每瓦，在10.6微米波段达到3微安每瓦。这说明钽铱碲纳米片光探测器适合可见光波段、1.55微米的近红外通讯波段以及10.6微米的中红外波段，并且其灵敏度高。值得指出的是，人体正常体温约为310K，人体发射的红外线波长在9.6微米附近，该波长和该示例性实验中采用的10.6微米的激光波长非常接近。这说明根据本实用新型的钽铱碲纳米片的探测器可用于红外成像、军事侦察、夜视镜等领域，在军用设备方面有着广阔的应用前景。另外需要特别指出的是，基于本材料的光探测器不需要提供偏置电压即可产生相当高的光电流响应，并且暗电流非常低，而且基于本材料的光探测器也不需要提供低温环境(例如液态氮降温)，在室温下即可使用，这些将非常有助于探测器的微型化和经济化。

图4示出了根据本公开的光探测器在不同功率的入射光照射的情况下产生的光电流的示意图。如图4所示，光探测器在波长为1550纳米的激光照射下，光探测器的光电流随着激光功率的增加而线性增大。线性响应在科研等领域需要精确探测光强度的应用中十分重要。

图5示出了使用根据本公开的光探测器对不同波长的入射光进行偏振光探测的电流图。如图5所示，三种入射光的波长分别为633纳米(功率400微瓦)、4微米(功率650微瓦)和10.6微米(功率600微瓦)。当对三种波长激光光束的偏振角度分别进行360度旋转时，可清晰观测到电流响应强度呈现明显的周期性变化。在图5的光探测实验中，随着所用激光的波长增大，光电流的偏振依赖特性有明显增强，说明钽铱碲纳米片光的探测器适合探测不同方向的偏振光，并且对波长的灵敏度高。这一特性可以应用于探测偏振光的偏振方向，甚至有可能应用于分辨波长。要实现这一功能，需要利用X射线衍射或拉曼散射等方法确定钽铱碲晶格中的原子链的方向，从而确定被探测光的偏振方向和该探测器之间角度的对应关系。另外，偏振探测功能和一般的光强探测功能不同时进行。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。