金纳米线网格阵列与二维层状材料异质结复合的光电探测器、制备方法及用途

1.本发明涉及微纳制备及光电器件技术领域，具体涉及一种金纳米线网格阵列与二维层状材料异质结复合的光电探测器、制备方法及用途。


背景技术：

2.二维材料在设计新颖的电子和光电子器件方面具有巨大的潜力和应用前景，故广泛应用于可见光或近红外光波段的测量和探测。然而，当二维材料减薄至单层厚度时(～0.7nm)，单层薄膜出现了对光吸收和利用较低的问题，尤其当两个单层薄膜堆垛在一起，上层薄膜对下层薄膜有屏蔽作用，因此不足以实现高的光电转换。为了克服这一缺点，设计了金纳米线网格阵列结构以增强单层二维材料异质结的光吸收。
3.在入射光的激发下，金属纳米结构表面的自由电子会发生集体震荡，光波与这些自由电子耦合进而形成可以在金属表面传播的近场电磁波，这些电磁波具有局域和场增强作用，进而可以提高金属表面的光场。通过金属结构激发的表面等离激元可以突破光的衍射极限，在纳米尺度上实现光的局域和场增强。因此，设计合适的纳米结构与单层二维材料的异质结复合，可以提升异质结器件的光电探测能力。


技术实现要素：

4.针对堆垛之后的二维异质结对入射光弱的吸收效率，本发明提出一种将单层二硒化钼/二硫化钼异质结平铺在金纳米线阵列网格上的复合结构光电探测器及其制备方法，通过纳米线网格阵列激发的阵列式局域表面等离激元增强异质结的光吸收。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种金纳米线网格阵列与二维层状材料异质结复合的光电探测器，其特征在于，包括附着在衬底上的金纳米线网格阵列，以及位于金纳米线网格阵列上方的二维层状材料异质结，所述二维层状材料异质结的两端与栅极和漏极接触；所述金纳米线网格阵列的网格为多边形。
7.进一步地，所述金纳米线网格阵列的网格为正方形、长方形、菱形、五边形或正六边形。
8.进一步地，构成金纳米线网格阵列的金纳米线的宽度、宽度为20-50nm，金纳米线网格中两条金纳米线之间的间距设置为50～100nm。
9.进一步地，所述栅极、漏极及金纳米线与衬底之间有粘结层，所述粘结层为钛层。
10.进一步地，所述二维层状材料异质结为层叠的单层的两种二硫族化合物构成。
11.所述的金纳米线网格阵列与二维层状材料异质结复合的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.步骤1、在sio2/si衬底上旋涂光刻胶，通过电子束光刻十字标记的区域，并通过电子束蒸镀工艺在sio2/si衬底上制备十字标记，再将十字标记之外的光刻胶去除；
13.步骤2、再次在sio2/si衬底上旋涂光刻胶，利用电子束光刻十字标记、栅极、漏极及金纳米线网格区域，通过电子束蒸镀工艺蒸镀粘结层和金层，去除光刻胶后形成栅极、漏极和金纳米线网格阵列，其中金纳米线网格阵列与栅极、漏极不接触；
14.步骤3、借助二维材料转移平台机械剥离两种单层的二硫族化合物薄膜，并完成二维层状材料异质结的制备；
15.步骤4、通过聚焦离子束加工技术处理二维层状材料异质结区域，得到图案化异质结；完成金纳米线网格阵列与单层二硒化钼/二硫化钼异质结复合的光电探测器的制备。
16.进一步地，步骤1、步骤2中所使用的光刻胶为正性光刻胶，旋涂光刻胶的过程为：在sio2/si衬底上旋涂光刻胶之前，将sio2/si衬底置于80℃的热台烘烤5-10min；将光刻胶滴至sio2/si衬底上，在匀胶机旋涂、匀胶后，将sio2/si 衬底置于150℃的热板上烘烤2-5min；涂胶后进行电子束曝光、显影、定影，采用显影液显影处理60s，显影结束后选用异丙醇为定影液，定影时间为30s。
17.进一步地，所述粘结层为钛层，厚度为10nm钛；金层的厚度为40nm。
18.进一步地，步骤1、步骤2中，去胶的过程为：将衬底浸没于去胶液中，静置5-15min，然后用平口镊夹住去胶液中衬底的一角，并用滴管抽取去胶液，在液态环境中轻轻吹试金膜表面，借助液体的流动性完成光刻胶的剥离；剥离完成后，依次浸泡于丙酮、异丙醇和去离子水中，并用氮气枪将衬底吹干。
19.所述的光电探测器用于检测光信号的用途。
20.本发明将异质结集成在金纳米线网格阵列的上方，通过金纳米线网格阵列产生的阵列式表面等离激元可以有效的提升异质结对光的吸收能力。平面金纳米线网格构成四周封闭的光学腔，在入射光的激发下，由于表面等离激元产生的局域电场，纳米线结构之间的耦合效应将会作用在光学腔之中，光场被牢牢的束缚在每一个光学腔内，阵列式光学腔以增加光场的束缚面积，故使得该光学腔中的电场强度被提高，进而实现对异质结光吸收增强的效果。另外，采用底电极与二维材料接触可以很大程度上避免激光对材料的掺杂和光刻中激光对样品的损伤，电极的制备和异质结堆垛分离的同时也可以远离光刻胶对样品的污染。
21.通过金纳米线网格阵列作为“天线”在激发光的作用下可以将光以能量的形式存储起来，同时金纳米线表面激发的等离激元电场产生耦合效应，使得电场强度增加，进一步提高异质结器件对光的吸收效率。另外，同一平面的网格结构构成光学腔，在表面等离激元电场的作用下，光学腔可以有效的束缚光，产生近场增强的效果，进而提高单层二硒化钼/二硫化钼异质结对光的探测能力。
附图说明：
22.图1是第一次光刻后带十字坐标的衬底结构示意图；
23.图2是套刻后金纳米线网格阵列和金电极的结构示意图；
24.图3是金纳米线网格阵列与机械剥离单层二硒化钼/二硫化钼异质结复合结构光电探测器的结构示意图。
25.图4是修饰后金纳米线网格与单层二硒化钼/二硫化钼异质结复合结构光电探测器的结构示意图。
26.图5是fdtd模拟金纳米线网格及网格阵列表面等离激元电场分布图。
27.图中：1-硅基底；2-二氧化硅层；3-十字标记；4-金电极；5-金纳米线网格阵列；6-单层二硒化钼/二硫化钼异质结。
具体实施方式：
28.下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
29.本发明所述的金纳米线网格阵列与二维层状材料异质结复合的光电探测器，包括附着在衬底上的金纳米线网格阵列5，以及位于金纳米线网格阵列5上方的二维层状材料异质结，所述二维层状材料异质结的两端与栅极和漏极接触；所述金纳米线网格阵列5的网格为多边形，例如正方形、长方形、菱形、五边形、正六边形等。其中，构成金纳米线网格阵列5的金纳米线宽度和厚度为20-50nm，厚度为40纳米，金纳米线网格中两条金纳米线之间的间距设置为50～100nm。所述栅极、漏极及金纳米线与衬底之间有粘结层，所述粘结层为钛层。
30.所述二维层状材料异质结为层叠的单层的两种二硫族化合物构成，例如二硒化钼和二硫化钼构成的异质结。
31.下面以二硒化钼和二硫化钼薄膜构成的异质结为例来说明所述光电探测器的制备方法。
32.首先使用丙酮、异丙醇(ipa)先后对sio2/si衬底进行超声清洗5min,超声功率为100w。然后在去离子水中浸泡10min，去离子水的作用为去除衬底表面的丙酮和乙醇等有机溶剂。在使用氮气枪使衬底表面干燥。本实施例中sio2/si 衬底中，附着在硅基底1上的二氧化硅层2的厚度为300nm。
33.光刻胶选用ar-p 6200.09型号的正性光刻胶，显影液采用与ar-p 6200.09 型号的正性光刻胶匹配的ar 600-546显影液，去胶液选用ar 600-71，异丙醇作为定影液。
34.用滴管吸取少量的光刻胶，然后滴4～5滴至衬底上，匀胶机转速选择为2000 rpm，旋涂时间为1min。匀胶结束后，将衬底置于130℃的热台上烘烤1min，使光刻胶固化和增强黏贴能力。最后，将衬底放置于电子束光刻机的曝光腔室中曝光金十字标记3，加速电压设定为125kv、束流选择300pa、曝光剂量设为 400μc/cm2/vs。曝光后，用显影液显影处理60s，显影结束后选用异丙醇作为定影液，定影时间为30s。
35.借助电子束蒸镀工艺和膜厚仪设备在上述衬底上蒸镀10nm钛和40nm厚的金。结束后将衬底浸没于去胶液中，静置10min左右，然后用平口镊夹住去胶液中衬底的一角，并用滴管抽取去胶液在液态环境中轻轻吹金膜表面，借助液体的流动性完成金膜的剥离。剥离完成后，依次浸泡于丙酮、异丙醇和去离子水中各5min，并用氮气枪将衬底吹干。结果如图1所示，完成十字标记3的制备。
36.再制备金纳米线网格阵列5、栅极和漏极：在光学显微镜下检查十字坐标后，在具有十字标记3的衬底上旋涂光刻胶，并在软件中绘制出第一次绘制的十字标记3、金电极图案及金纳米线网格阵列5；设置金纳米线宽度50nm，纳米线的间距设置为50～100nm，并且在纳米线网格阵列的两侧绘制栅极和漏极的图案。将版图中的十字标记3与上述制备的十字标记3对准，以保证电极图案和金纳米线网格阵列5能够光刻在预定的位置，即套刻。套刻结束后，再次进行显影及定影操作。在经过电子束蒸镀工艺和膜厚仪设备蒸镀10nm钛和40nm厚的金；经过去胶后获得金纳米线网格阵列55、金电极4，如图2所示，其中一个金电极 4为
栅极、另一个为漏极。
37.采用聚二甲基硅氧烷(pdms)辅助微机械剥离的方法制备单层二硫化钼及二硒化钼薄膜。首先，剪取7～8cm的蓝膜胶带，两边0.5～1cm处对粘，以方便对撕剥离。其次，将二硫化钼晶体材料贴合于蓝膜胶带上，静置20min，在对撕处沿着一个方向缓慢撕开即完成母带的制备，然后重复上述过程制备二硒化钼母带。
38.通过二维材料转移系统完成异质结的制备及转移。剪去1cm
×
1cm的pdms，并将pdms贴在载玻片上，然后用玻璃棒碾压以增强粘附力。接着机械剥离数次的蓝膜胶带贴合在pdms上，静置10min，揭去蓝膜胶带后置于转移台自带的光镜中需找到单层二硫化钼。重复上述步骤，完成单层二硒化钼的制备。将上述二维单层材料/pdms/载玻片倒置在转移台上，固定转移台旋转臂。通过转移平台完成单层薄膜的转移，即可将单层二硫化钼转移至图案化衬底及金纳米线网格阵列5的上方。重复上述步骤，即完成单层二硒化钼/二硫化钼异质结6的制备，如图3所示。
39.单层二硒化钼/二硫化钼异质结6与栅极和漏极及纳米线网格阵列5之间通过范德华力连接，栅极和漏极通过粘附层钛和二氧化硅层连接。该复合结构中，激发的入射光透过异质结局域在金纳米线网格阵列5的光学腔之中，由于金纳米线网格阵列5结构表面等离激元电场的耦合效应，使得光学腔中电场被增强。表面等离激元电场可以将光的能量以等离子体的形式存储起来，进而实现提升异质结对光的吸收效率。图5为纳米线网格及网格阵列的表面等离激元电场分布图，纳米线网格及网格阵列的场增强倍数提高近4倍。
40.由于机械剥离制备的单层薄膜样品形貌随机性较大，因此通过聚焦离子束加工技术对单层二硒化钼/二硫化钼异质结进行图案化刻蚀。将上述制备的金纳米线网格阵列5和二硒化钼/二硫化钼异质结复合结构的异质结器件放入加工系统的腔室中，选用he
+
源对器件进行刻蚀，设置he
+
剂量为2.7
×
10-10
pc/μm2,he
+
离子滞留时间为1μs，对异质结器件区域进行扫描。扫描结束后将器件依次浸泡在乙醇、异丙酮、去离子水中各5min，之后使用氮气枪将衬底表面吹干。至此，金纳米线网格阵列5与单层二硒化钼/二硫化钼异质结6复合的光电探测器制备完成。
41.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。