基于金属/二维材料范德瓦尔斯的光电探测器及其制备

本发明属于光电探测，具体涉及一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯的光电探测器及其制备。

背景技术：

1、光电子器件在现代科技中发挥着广泛的应用，包括红外成像、光通信、环境监测以及智能驾驶。近年来，低维材料广泛应用于光电探测领域，与传统块体半导体不同，低维材料表面无悬挂键、原子级厚度并且柔韧性好，适合于发展硅光电子集成以及柔性可穿戴技术，具有超越体材料性能的潜质。

2、低维材料中，尤其是石墨烯，零带隙的能带结构使得光吸收范围可延伸至太赫兹区域，可用于宽光谱、高灵敏探测器设计。然而，石墨烯载流子寿命短使得输运到电极的电荷几率低，导致器件光响应度较小。尽管结合等离子体结构可以提高光吸收来增加光生载流子浓度，并且最近的研究结果表明超材料、金属天线已经实现了光响应度的优化，但载流子寿命依旧抑制了光电转换效率。一种替代方法是结合光敏材料，如量子点、钙钛矿、硅以及tmds。敏化材料一方面提供高光吸收，材料内的敏化中心可以捕获并局限一种类型的载流子，另一种类型载流子在石墨烯沟道中传输，通过延长被束缚的载流子寿命而有效提高光电导增益。可惜的是，无带隙的石墨烯作为沟道也意味着较大的暗电流，通常情况下几十微米的沟道面积暗电流一般在几十μa-ma量级，这会造成器件噪声功率较大且器件功耗高。并且，由于读数电路容易饱和，高暗电流也会增加电路设计难度。因此降低目前器件的暗电流至商用的na的水平(硅或锗光电探测器)是非常有必要的。

3、本领域技术人员通过构建p-n结或光伏型结构来解决该问题，结势垒的存在使得只有极少数的热载流子可以越过，实现极低的暗电流，但这意味着光生载流子也要越过势垒实现电荷的分离。如果能够操控势垒高度，使得光照下势垒高度降低，进而有更多的电子可以克服势垒产生更多的电流，那么高增益、低暗电流光电探测将成为可能。这是当前探测技术面临的主要挑战之一。范德瓦尔斯界面，为界面势垒高度调控提供了独特的机会，特别是金属-半导体范德瓦尔斯界面，研究证明这种界面的势垒高度可以接近肖特基莫特限制，近似于理想物理界面。范德瓦尔斯界面为构建高增益、低暗电流光电探测器提供方法。

4、公开号为cn110148643b的发明专利公开了半导体量子点/石墨烯范德瓦尔斯结柔性器件的构筑方法，通过柔性衬底机械剥离化学气相沉积法制备的单层石墨烯，并在石墨烯上修饰半导体量子点，构筑了表面光伏响应性能理想的半导体量子点/石墨烯范德瓦尔斯结薄膜柔性表面光伏器件，可用于相对位置探测或光电探测；然而该发明难以实现低暗电流、高响应度的探测。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器。本发明通过物理转移法构筑金属/二维材料范德瓦尔斯界面，该界面形成了良好的层间接触，克服了常规金属沉积工艺引起的二维材料原子结构被破坏、费米钉扎问题，实现了高质量金属-半导体范德瓦尔斯界面构筑以及高光开比的光电响应。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器，所述光电探测器包含二维材料、一对金属电极和柔性衬底；所述柔性衬底位于金属电极下方，所述二维材料位于金属电极上方，所述一对金属电极分别连接二维材料两端；所述金属和所述二维材料构成范德瓦尔斯界面。

4、进一步，所述二维材料为图案化的二维材料，所述图案化的二维材料为1-5层薄膜。

5、作为优选，所述二维材料为石墨烯。

6、进一步，所述金属电极的材料为金、银和/或铜，厚度为40nm-100nm。

7、作为优选，所述金属电极的材料为金。

8、进一步，所述柔性衬底为聚合物衬底；所述聚合物为pmma、聚酰亚胺和/或pdms。

9、本发明的目的之二在于提供一种基于金属/二维材料范德瓦尔斯界面的光电探测器的制备方法。

10、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

11、目的一所述光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

12、s1：采用微纳光刻工艺，通过紫外曝光、显影、溅射、金属剥离在硅基衬底上制备金属电极，获得样品；

13、s2：配置聚合物溶液；

14、s3：将s2所得聚合物溶液旋涂到s1所得样品上，低温加热使聚合物薄膜固化。

15、s4：采用物理转移法将固化的聚合物薄膜从硅基衬底上剥离；

16、s5：利用cvd法生长所述二维材料，并利用干法或湿法转移工艺将二维材料转移到聚合物样品上；

17、s6：将s5所得转移二维材料后的样品利用微纳光刻工艺将二维材料条带化，制得所述光电探测器。

18、进一步，s1具体为：准备洁净的si/sio2衬底，旋涂s1805光刻胶，厚度约200nm，热板加热；紫外曝光后，az300显影液浸泡；溅射法镀膜金，厚度约为40nm-100nm；完成后将样品放入丙酮中浸泡去除多余的金。

19、进一步，s1中，溅射法镀膜厚度为40nm-100nm。

20、进一步，s2中，以聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚酰亚胺(pi)和/或pdms为溶质，乙酸乙酯为溶剂，配置聚合物溶液；所述聚合物溶液的浓度为3％-20％。

21、更进一步，所述溶质与溶剂的配比为1：10-1：50。

22、进一步，s3中，所述聚合物溶液旋涂厚度为300μm-5000μm。

23、进一步，s3中，所述低温加热条件为：80℃-100℃加热3h；以保证pmma薄膜完全固化到样品上。

24、进一步，s3中，所述旋涂的转速为200rpm-1000rpm。

25、进一步，s4中，剥离后，所述硅基衬底上的电极图案被复制到聚合物薄膜上。

26、进一步，所述二维材料为石墨烯，所述聚合物溶液为pmma溶液；s5具体为：

27、(1)在石墨烯表面旋涂3％-8％的pmma溶液，所述pmma的厚度为100nm-500nm；热板加热使上层pmma固化，得样品；

28、(2)将步骤(1)所得样品放置到高浓度的盐酸、过氧化氢溶液中3min-5min，去掉铜箔底层的石墨烯以及氧化亚铜；

29、(3)将步骤(2)处理后的样品放置在低浓度的盐酸、过氧化氢溶液中2h-3h，直至铜箔完全溶解；

30、(4)将pmma/石墨烯用普通硅片转移至去离子水中，浸泡30min后转移至pmma衬底的金电极上，自然晾干。

31、进一步，s6具体为：将s5中转移二维材料后的样品进一步旋涂200nm厚的s1805光刻胶；紫外曝光后，az300显影液浸泡直至完全显影出图案；再将样品放入刻蚀机中，使没有光刻胶保护的石墨烯全部被刻蚀掉；最后将样品放入稀释的az400显影液中浸泡去掉上层s1805光刻胶；制得所述金属/二维材料范德瓦尔斯光电探测器。

32、本发明的有益效果在于：

33、1.本技术构筑的金属/二维材料的范德瓦尔斯界面，与传统溅射或蒸镀工艺制备的金属/二维材料界面相比，避免了制备工艺对材料本身性质的破坏，包括产生缺陷或化学扰动，实现了高质量金属-半导体界面的构筑。

34、2.本发明方法制备的金属电极，界面平整度高，具有原子级的粗糙度，可以与二维材料形成良好的界面接触，有利于实现高性能的光电探测器件。

35、3.本发明方法中电极制备以及光电探测器基于柔性基底，该衬底可弯曲、拉伸，可以拓展应用到智能穿戴，柔性以及应力传感等应用中。

36、4.本发明的光电探测器在近红外实现了低暗电流、高响应度探测，为发展红外高性能室温探测技术提供思路。