基于二硫化钼铒合金材料的高温红外光电探测器件、其制备方法和用途

本发明属于二维材料的制备领域，具体涉及一种基于二硫化钼铒合金材料的高温红外光电探测器件、其制备方法和用途。

背景技术：

1、从早期的石油工业和地质研究，到现在的航空航天工程和金星探测任务，各种应用对传感器的需求不断增长，例如在极端环境下(高温、高压、高湿度等环境)宽光谱光电探测器的需求极为迫切，特别是在星际探测、超音速飞行器或夜视成像等领域。而具有高温运行能力的宽光谱光电探测器将为未来在极端环境条件下工作的智能传感器提供巨大优势。

2、但具有高温运行能力的宽光谱光电探测器目前面临的问题有：

3、(1)目前高温光电探测器工作温度低。大多数商用标准电子产品由于漏电流增加、介电击穿强度降低等原因使其无法在260℃以上；

4、(2)所述高温光电探测器即使可以实现高温探测，但探测范围窄，无法满足红外光宽光谱探测，尽管iii-v和iv族的一些材料，其高温性能超过si器件的能力，可以满足高温(high operating temperature,hot)电子和光电子的要求，尤其是金刚石、sic和aln例如，sic金属-半导体-金属(msm)光电探测器已经证明可以在350℃下工作。但令人遗憾的是，它们都是宽带隙材料，因此只能在紫外或深紫外区域进行有限的探测，而无法满足高温宽带光电探测的需求；

5、(3)暗电流的增加不利于光电探测。随工作温度的上升，在所述高温光电探测器中会产生大量本征激发的载流子，导致暗电流增加，使得在更高的工作温度时杂散光会带来背景辐射噪声，特别是对长波红外探测器的成像造成严重干扰。

6、二维过渡金属硫族化合物(tmds)由于其独特的物理性质和直接带隙等特点，使其在光电子学领域有着天然的应用优势。相比于石墨烯，tmds具有更高的灵敏度和更低的暗电流，并在室温下表现出显著的光学传感性能。单层mos2光电探测器的光响应度达到880a/w。然而，tmds电子/光电器件在高温条件下工作性能较差：mos2在300℃的空气中开始氧化和降解，在其表面产生许多三角形蚀坑；wse2薄片在300℃的空气中开始氧化，阻碍了其在航空航天等诸多恶劣环境中的应用，及在超高温下光电特性的探索。

7、因此，本领域需要开发一种能够在较高温度下工作的，且满足红外光宽光谱探测的红外光电探测器件。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明目的之一是提供一种基于二硫化钼铒合金材料的高温红外光电探测器件，包括：

2、一种基于二硫化钼铒合金材料的红外光电探测器件，其特征在于，所述探测器件包括：

3、基于沟道材料的光电响应部件，所述光电响应部件包括基底层、设置在所述基底层上的二硫化钼铒单晶合金材料，以及设置在所述二硫化钼铒单晶合金材料上的电极层，且所述电极层包括至少2个电极单元，且所述2个电极单元跨越在所述二硫化钼铒单晶合金材料的同一个二硫化钼铒单晶合金的晶体上；

4、显示部件，用于显示电流信号；

5、电流导出部件，与跨越在同一个二硫化钼铒单晶合金的晶体上的电极单元和所述显示部件电连接，用于将所述电极单元的电信号传输给显示部件。

6、本技术提供的高温红外光电探测器件以二硫化钼铒单晶合金为红外光电探测器件的沟道材料，利用二硫化钼铒单晶合金材料的高载流子迁移率特性，降低了暗电流对光电流的干扰，提高了红外光电探测器件探测的敏感性；利用了二硫化钼铒单晶合金材料在532nm～2200nm具有响应的宽光谱效应，拓宽了红外光电探测器件的波长探测范围；利用了二硫化钼铒单晶合金材料中铒硫键的耐高温性能，提高了红外光电探测器件的工作温度窗口，使其能够在高温下工作。

7、所述高温是指工作温度可以覆盖室温至较高的工作温度，如室温-300℃。

8、优选地，所述二硫化钼铒单晶合金包括单层二硫化钼铒单晶、和/或多层二硫化钼铒合金。

9、优选地，所述多层二硫化钼铒合金厚度为1～10nm，例如2nm、3nm、5nm、7nm、8nm、9nm等，优选2～8nm。

10、所述二硫化钼铒单晶合金为多层二硫化钼铒晶体时，更多时候呈现出更短的器件响应开启和关闭时间。

11、优选地，所述二硫化钼铒单晶合金的晶体尺寸≥10μm，例如11μm、14μm、18μm、20μm等。

12、优选地，所述二硫化钼铒单晶合金的铒元素的掺杂量为3～12％，例如4％、6％、8％、10％、11％、13％、15％等，优选8～12％。

13、所述二硫化钼铒单晶合金的晶体尺寸过小，沟道材料长度过小，对电极层的制备工艺要求较高。

14、优选地，所述红外光电探测器件的工作温度窗口为室温-300℃。

15、优选地，所述红外光电探测器件的探测探测波长范围为532nm～2200nm。

16、优选地，所述电极层为金属铬、金属镍、金属金、金属钯中的任意一种或至少两种的组合；

17、优选地，所述电极层为附着在所述铬层之上的金层。

18、金单质与二硫化钼铒单晶合金之间势垒(功函)不匹配，这样会导致较大的接触电阻，进而降低器件的性能。选择附着在所述铬层之上的金层作为电极，一方面可以防止金电极与材料之间由于弱的范德华作用力而脱落与损坏；另一方面能够减少金属电极与材料接触的肖特基势垒。

19、优选地，所述电极单元包括电极块、电极线、电极触点中的任意一种或至少两种的组合。

20、优选地，所述基底层为二氧化硅-硅材料层。

21、所述电流导出部件可以是任何可以进行导电的部件，比如铜丝、金线、银线、钨针等均可用于本技术。

22、本技术目的之二是提供一种目的之一所述的基于二硫化钼铒合金材料的高温红外光电探测器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

23、s1提供一个基底材料板、电流导出部件和显示部件；

24、s2向所述基底材料板上转移二硫化钼铒合金材料，形成基底材料板-二硫化钼铒合金材料层的结构；

25、s3在所述基底材料板-二硫化钼铒合金材料层的结构的表面形成包含至少2个电极单元的电极层，且使所述电极单元跨越s2的二硫化钼铒合金材料的同一晶体上；

26、s4将电流导出部件、显示部件和跨越二硫化钼铒合金材料的同一晶体上的电极单元电连接。

27、优选地，步骤s2的二硫化钼铒合金材料通过如下方法制备：

28、(1)在管式炉中心区域放置具有开口的反应舟，并在反应舟内放置铒源和钼源，然后在其上覆盖4a分子筛，将生长基底倒扣放置在所述带有开口的反应舟上，并保留供载气流通的缝隙；

29、(2)在所述管式炉中，沿气流流通方向的上游放置硫粉；

30、(3)通入70～90sccm的惰性载气，排尽石英管内的空气后，将所述管式炉升温，至硫粉放置位置到达180～250℃，反应舟到达950～1150℃时(例如1000℃、1050℃、1100℃等)，进行铒、钼、硫元素的沉积，获得二硫化钼铒合金材料。

31、优选地，所述4a分子筛(经粉碎)的覆盖厚度为1～3mm。

32、优选地，所述反应舟中，铒源和钼源分开放置。

33、优选地，所述供气体流通的缝隙包括沿载气流向设置的上游缝隙和下游缝隙。

34、当4a分子筛(经粉碎)的覆盖厚度为1～2nm，且温度在1050℃以上时，更容易生长出多层二硫化钼铒合金。

35、优选地，步骤s3中，形成电极层的过程包括如下步骤：

36、s301在所述基底材料板-二硫化钼铒合金材料层的结构的表面铺设掩膜版；

37、s302在铺设掩膜版的结构上蒸镀金属铬；

38、s303在蒸镀金属铬的结构上继续蒸镀金属金。

39、优选地，步骤s302的金属铬的蒸镀厚度为8～12nm；

40、优选地，步骤s303的金属金的蒸镀厚度为45～55nm。

41、本技术目的之三是提供一种如目的之一所述的基于二硫化钼铒合金材料的高温红外光电探测器件的的用途，所述器件用于高温光电探测器；

42、优选地，所述器件用于红外制导导弹、高温热红外成像仪、火灾安全成像或空间探测传感中的任意一种。

43、与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：

44、本技术提供的高温红外光电探测器件降低了暗电流对光电流的干扰，提高了红外光电探测器件对光电流的敏感性；获得了在532nm～2200nm范围内的宽光谱效应，拓宽了红外光电探测器件的波长探测范围；提高了红外光电探测器件的工作温度窗口，使其能够在高温下工作。