一种偏振光探测器及其制备方法

1.本发明属于光电技术领域，具体涉及一种偏振光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.光在经过物体反射和透射之后，都会包含物体自身特性所决定的偏振光谱信息。偏振光探测器是一种通过检测来自物体的偏振光信息来进行探测识别的光电传感器，可以提高光探测的准度和精度，在近场成像、遥感和高分辨探测等领域有着广阔的应用前景。
3.从上世纪七十年代开始，偏振光探测器技术已经开始不断地发展和改进。传统的偏振光探测器基于硅基材料，与硅基集成电路制造工艺兼容，工艺成熟可靠。但由于硅材料本身的光吸收特性，需要在探测器前面增加偏振器件，降低了器件的光响应度。而使用本身就具有偏振光敏感性的半导体材料作为探测器的活性层，可以大幅提高器件对于偏振光的响应度和灵敏性。
4.低维半导体材料在结构上具有明显的各向异性特性，在短波近红外波段具有强的各向异性光响应，在近红外偏振光探测以及偏振成像领域展现出巨大的优势，特别适合用作偏振光探测器的工作介质。近年来，基于黑磷、gate、snse、geas、zrte3及moo3等二维半导体材料制备的偏振光探测器被人们广泛研究，但这类偏振光探测器的二向色比值最高在10左右，这样的性能不能满足实际应用的需求。
5.碲(te)作为一种重要的窄带隙元素半导体材料，在热电领域的应用受到人们的广泛关注。近年来，人们发现二维te纳米片由于具有优异的各向异性光响应，也可作为偏振光探测器的工作介质。与其他二维材料相比，二维te纳米片具有更高的二向色比值，但相关研究仍处于初级阶段，需要优化设计器件结构，有效抑制噪声、提高光响应强度和偏振探测能力，改善器件性能。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的问题，本发明提供一种偏振光探测器及其制备方法，有效提高了te基偏振光探测器的光吸收能力，使其具有较强的光响应度。
7.为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
8.一种偏振光探测器，包括硅衬底、第一sio2薄膜、二维te薄膜、maxene薄膜及背电极，所述第一sio2薄膜制备在硅衬底表面；所述第一sio2薄膜表面沉积有sio2：au薄膜，或所述第一sio2薄膜表面依次沉积有au纳米层、第二sio2薄膜；所述二维te薄膜制备在sio2：au薄膜表面或第二sio2薄膜表面；所述maxene薄膜制备在二维te薄膜表面，作为探测器源、漏电极；所述背电极沉积在硅衬底背面，作为栅电极。
9.所述第一sio2薄膜采用热氧化方法或cvd法制备，其厚度为1nm-50nm。
10.所述sio2：au薄膜采用sio2靶与au靶共溅射制备，其厚度为1nm-20nm。
11.所述sio2：au薄膜中，au的质量百分比为1％-80％。
12.所述au纳米层厚度为1nm-10nm，第二sio2薄膜厚度为1nm-10nm。
13.所述二维te薄膜采用水热法生长制备，薄膜厚度小于10nm。
14.所述maxene薄膜厚度为1nm-50nm，其由二维ti3c2t
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纳米片构成，包括同心设置的中间圆形电极薄膜和外围环形电极薄膜。
15.背电极的厚度为100nm-2000nm。
16.一种偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：
17.(a)采用热氧化法或cvd法在硅衬底表面制备第一sio2薄膜；
18.(b)采用sio2靶与au靶共溅射，在第一sio2薄膜表面沉积sio2：au薄膜(3)；
19.或采用溅射法在第一sio2薄膜表面制备au薄膜，经退火处理后制得au纳米层，之后采用溅射法在au纳米层表面制备第二sio2薄膜；
20.(c)采用水热法生长二维te薄膜：将pvp与na2teo3溶解在去离子水中，加入氢氧化铵溶液及水合肼溶液进行水热反应，反应后经冷却、离心处理得到固体产物，采用去离子水清洗后在无水乙醇中超声分散，最后转移到sio2：au薄膜表面，形成二维te薄膜；
21.(d)采用hcl和lif的混合溶液刻蚀ti3alc2粉体，获得含二维ti3c2t
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纳米片的胶体溶液，通过滴涂法在二维te薄膜表面制备maxene薄膜，并通过滴涂时设置电极掩模版来获得环状结构电极；
22.(e)采用蒸发或溅射法将金属材料沉积在硅衬底背面，制成背电极。
23.步骤(c)中，氢氧化铵溶液浓度为25wt％，水合肼溶液浓度为85wt％；水热反应时pvp与na2teo3、去离子水、氢氧化铵溶液、水合肼溶液的质量比为0.25g：25mg：15ml：1.5ml：0.8ml，反应温度为180℃，反应时间10h。
24.从以上描述可以看出，本发明的有益效果是：
25.本发明采用具有优异的各向异性光响应的二维te薄膜作为偏振光探测器的工作介质，在偏振光入射下，产生特定的光电流响应，改善光响应强度和偏振探测能力；采用具有一定透过率的maxene薄膜替代传统msm结构中的金属电极，大幅度增加了入射到te吸收层的光量；通过sio2：au薄膜中的au纳米颗粒的表面等离子体效应提高了器件对入射偏振光的吸收效率，解决了偏振光探测器光响应度较低的问题。
附图说明
26.图1是本发明实施例1的偏振光探测器结构示意图。
27.图2是本发明实施例1的maxene薄膜环状结构电极结构示意图。
28.图3是本发明实施例2的偏振光探测器结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
30.实施例1
31.如图1所示，偏振光探测器包括硅衬底1、第一sio2薄膜2、sio2：au薄膜3、二维te薄膜4、maxene薄膜5以及背电极6。
32.硅衬底1作为薄膜沉积的基底和器件支撑材料，采用重掺杂低阻硅材料制成以降低栅极电阻；其它各层材料可以通过氧化、溅射及转移等方法依次制备在硅衬底1上。
33.第一sio2薄膜2制备在硅衬底1表面。第一sio2薄膜2作为器件的栅极电介质，采用
热氧化法或cvd法制备。当底部栅极加电压时，通过电介质在二维te薄膜4上产生感应电荷，以控制其导电特性，为确保器件性能，第一sio2薄膜2的厚度为1nm-50nm。
34.sio2：au薄膜3沉积在第一sio2薄膜2表面，其作用是产生au纳米颗粒，利用au纳米颗粒的表面等离激元效应，增强器件对入射光的吸收。利用金属纳米颗粒增强光吸收的方法已广泛应用于太阳能电池、光探测器等领域，传统上获得金属纳米颗粒的方法是在吸收层表面沉积超薄的金属膜层，再通过退火使金属粒子团聚形成纳米颗粒。对于使用二维材料作为吸收层的器件，金属的沉积及后续的退火处理都会对其性能产生破坏性影响。因此本发明中采用制备在吸收层二维te薄膜4下的sio2：au薄膜3来获得au纳米颗粒。sio2：au薄膜3的沉积，采用高纯au靶与sio2陶瓷靶材共溅射制备：溅射沉积温度为200℃，氩-氧混合气体为溅射气体，溅射气压1pa，sio2陶瓷靶为射频溅射靶，溅射功率100w，au靶为直流溅射靶；溅射功率较低并可调，用以改变sio2：au薄膜3中的au含量。为兼顾介电及增强光吸收效果，sio2：au薄膜3厚度为1nm-20nm，其中au的质量百分比为1％-80％。
35.二维te薄膜4制备在sio2：au薄膜3表面，薄膜厚度小于10nm。二维te薄膜4具有优异的各向异性光响应，是本发明中偏振光探测器的工作介质，在偏振光入射下，产生特定的光电流响应。二维te薄膜4采用水热法生长制备，具体制备方法为：0.25g的pvp(60k)与25mg的na2teo3溶解在15ml去离子水中，再依次加入1.5ml浓度为25wt％氢氧化铵溶液及0.8ml浓度为85wt％水合肼溶液，在高压釜中180℃反应10小时；冷却后离心得到固体产物，去离子水清洗后在无水乙醇中超声分散，最后转移到sio2：au薄膜3表面。
36.所述maxene薄膜5制备在二维te薄膜4表面，作为探测器源、漏电极。mxene薄膜5为ti3c2t
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纳米片组成，厚度为1nm-50nm，具有金属导电性，可以替代传统msm结构中的金属电极，由于mxene薄膜5在可见及红外波段具有一定的透过率，相比于金属电极，可以大幅提高器件对入射光的响应度。maxene薄膜5的制备方法为：采用hcl和lif的混合溶液刻蚀ti3alc2粉体，获得含二维ti3c2t
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纳米片的胶体溶液，在二维te薄膜4上放置具有环形电极图案的电极掩模版；将含有二维ti3c2t
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纳米片的胶体溶液滴涂在掩模版表面并干燥；去除掩模版，在二维te薄膜4上获得环形结构maxene薄膜5电极。其表面电极图形如图2所示，由同心的中间圆形电极加外围环形电极构成，分别作为器件的源、漏电极，这种电极结构具有较好的平面对称性，避免了因器件表面几何结构的差异对偏振光电信号的影响。
37.背电极6采用al或au等金属材料制成，采用蒸发或溅射法沉积在硅衬底1背面，作为栅电极，背电极6的厚度为100nm-2000nm。
38.实施例2：
39.如图3所示为本发明的另一个实施例。偏振光探测器，包括硅衬底1、第一sio2薄膜2、au纳米层7、第二sio2薄膜8、二维te薄膜4、maxene薄膜5及背电极6，第一sio2薄膜2制备在硅衬底1表面；第一sio2薄膜2表面依次沉积有au纳米层7、第二sio2薄膜8；二维te薄膜4制备在第二sio2薄膜8表面；maxene薄膜5制备在二维te薄膜4表面，作为探测器源、漏电极；背电极6沉积在硅衬底1背面，作为栅电极。
40.与实施例1相比，sio2：au薄膜3由au纳米层7及sio2薄膜8代替，其它各层材料的制备同实施例1。au纳米层7的制备方法为：采用溅射法制备au薄膜，然后在500℃下退火20分钟，形成au纳米颗粒，厚度范围1nm-10nm。sio2薄膜8采用溅射法制备在au纳米层7上，防止au纳米颗粒与二维te薄膜4吸收层直接接触。sio2薄膜8厚度范围1nm-10nm。
41.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。