CN102881759A - 氟化石墨烯在制备光电探测器件中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了氟化石墨烯的一种新用途，即利用氟化石墨烯作为光电敏感材料在制作光电探测器件及柔性光电探测器件中的应用。该器件可探测波长小于415nm的光。本发明首次利用氟化石墨烯作为光电敏感材料制作光电探测器件，采用柔性衬底可实现柔性的光电探测器件，相比有机半导体柔性光电探测器件，具有优良高频性能和低功耗的优势。而且氟化石墨烯的电阻可达1TΩ以上，利用氟化石墨烯制作的光电探测器具有非常低的暗电流噪声。通过化学气相沉积方法能够制备出大面积的石墨烯薄膜（对角线长度可达30英寸），这是目前其它无机宽带半导体薄膜不能达到的，因此可制作基于氟化石墨烯的超大规模光电探测阵列。

Description

氟化石墨烯在制备光电探测器件中的应用
技术领域
本发明涉及氟化石墨烯的一种新用途，具体指氟化石墨烯作为光电敏感材料在制备光电探测器件中的应用。
背景技术
石墨烯是一种由六角排列的单层碳原子构成的理想二维晶体材料，它本身属于零带隙半导体，宏观表现为金属态。重要的是，石墨烯的能带结构可以通过表面氟化的方法而加以改变，使氟化石墨烯的带隙展宽至3.0 eV，成为宽带隙半导体，并由此可以实现对光子的探测。
氟化石墨烯可以容易地转移至不同衬底上，特别是氟化石墨烯的杨氏模量和持续应变可分别高达100 N/m和15 %，如果将其转移到柔性衬底上则能够实现具有可弯曲、抗冲击和质量轻等特点的柔性光电探测器件。
发明内容
本发明提供了氟化石墨烯的一种新用途，该用途是氟化石墨烯可以作为光电敏感材料在制备光电探测器件中应用，该器件可对波长小于415 nm的光进行探测；而且将该器件制作在柔性衬底上可实现柔性光电探测器件。
所述光电探测器件的制备方法为：
⑴ 制备绝缘衬底上的石墨烯薄膜样品；
⑵ 对⑴中所述石墨烯薄膜进行氟化；
⑶ 在⑵中所述氟化石墨烯薄膜表面制作叉指电极，形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。或：
 将带有基底的沉积态石墨烯薄膜进行氟化；
Figure 867795DEST_PATH_IMAGE002
 将⑴中所述氟化石墨烯转移至绝缘衬底上；
Figure 659033DEST_PATH_IMAGE003
 在⑵中所述氟化石墨烯薄膜表面制作叉指电极，形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
本发明的原理是石墨烯氟化后禁带宽度展宽至3.0 eV，对应415 nm的本征吸收波长；在氟化石墨烯表面制作叉指电极，叉指间区域的氟化石墨烯称为光敏面，光敏面被波长小于415 nm的光照射时由于本征吸收会产生大量的光生载流子；光生载流子在偏压作用下分别被叉指电极收集，在外电路形成光电流，通过测量外电路的光电流来实现对光的探测。
本发明的有益效果包括：
 本发明首次利用氟化石墨烯作为光电敏感材料制作光电探测器件，采用柔性衬底可实现柔性的光电探测器件，相比有机半导体柔性光电探测器件，具有优良高频性能和低功耗的优势。而且氟化石墨烯的电阻可达1 TΩ以上，利用氟化石墨烯制作的光电探测器具有非常低的暗电流噪声。
Figure 235825DEST_PATH_IMAGE002
 通过化学气相沉积方法能够制备出大面积的石墨烯薄膜（对角线长度可达30英寸），这是目前其它无机宽带半导体薄膜不能达到的，因此可制作基于氟化石墨烯的超大规模光电探测阵列。
附图说明
图1为本发明光电探测器件的结构示意图。
具体实施方式
实施例1，参照图1，制备基于氟化石墨烯光电探测器件的具体步骤为：
Figure 741893DEST_PATH_IMAGE001
 制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方法在基底上制备石墨烯薄膜；
Figure 20427DEST_PATH_IMAGE002
 将
Figure 902933DEST_PATH_IMAGE001
中所述的石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜，然后将所述基底腐蚀去除，剩下由PMMA支撑的石墨烯薄膜；其次，将PMMA支撑的石墨烯薄膜转移至SiO2衬底1上，然后将PMMA去除，并对SiO2衬底1上的石墨烯薄膜进行清洗；
Figure 255417DEST_PATH_IMAGE003
 对⑵中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有SiO2衬底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
Figure 197965DEST_PATH_IMAGE004
 利用光刻技术在⑶中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
实施例2，参照图1，制备基于氟化石墨烯光电探测器件的具体步骤为：
 制备石墨烯薄膜：首先利用机械剥离法或氧化还原法或超声分散法制备出石墨烯薄膜，并将石墨烯薄膜直接转移至SiO2衬底1上；
 对⑴中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有SiO2衬底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
⑶ 利用光刻技术在
Figure 92868DEST_PATH_IMAGE002
中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
实施例3，参照图1，制备基于氟化石墨烯光电探测器件的具体步骤为：
Figure 940738DEST_PATH_IMAGE001
 制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方法在基底上制备石墨烯薄膜；
Figure 928286DEST_PATH_IMAGE002
 对
Figure 152594DEST_PATH_IMAGE001
中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有基底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
Figure 479670DEST_PATH_IMAGE003
 将
Figure 764021DEST_PATH_IMAGE002
中所述的氟化石墨烯薄膜2表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜，然后将所述基底腐蚀去除，剩下由PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2；其次，将PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2转移至SiO2衬底1上，然后将PMMA去除，并对SiO2衬底1上的氟化石墨烯薄膜2进行清洗；
Figure 176547DEST_PATH_IMAGE004
 利用光刻技术在中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
实施例4，参照图1，制备基于氟化石墨烯的柔性光电探测器件的具体步骤为：
Figure 182867DEST_PATH_IMAGE001
 制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方法在基底上制备石墨烯薄膜；
Figure 638119DEST_PATH_IMAGE002
 对
Figure 537942DEST_PATH_IMAGE001
中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有基底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
Figure 166369DEST_PATH_IMAGE003
 将
Figure 202458DEST_PATH_IMAGE002
中所述的氟化石墨烯薄膜2表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜，然后将所述基底腐蚀去除，剩下由PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2；其次，将PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2转移至聚二甲基硅氧烷柔性衬底1上，然后将PMMA去除，并对聚二甲基硅氧烷柔性衬底1上的氟化石墨烯薄膜2进行清洗；
Figure 828611DEST_PATH_IMAGE004
 利用光刻技术在
Figure 779512DEST_PATH_IMAGE003
中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
实施例5，参照图1，制备基于氟化石墨烯的柔性光电探测器件的具体步骤为：
Figure 883734DEST_PATH_IMAGE001
 制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方法在基底上制备石墨烯薄膜；
 对
Figure 836964DEST_PATH_IMAGE001
中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有基底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
 将
Figure 681609DEST_PATH_IMAGE002
中所述的氟化石墨烯薄膜2表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜，然后将所述基底腐蚀去除，剩下由PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2；其次，将PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2转移至聚酰亚胺柔性衬底1上，然后将PMMA去除，并对聚酰亚胺柔性衬底1上的氟化石墨烯薄膜2进行清洗；
Figure 692290DEST_PATH_IMAGE004
 利用光刻技术在
Figure 660246DEST_PATH_IMAGE003
中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
实施例6，参照图1，制备基于氟化石墨烯的柔性光电探测器件的具体步骤为：
 制备石墨烯薄膜：利用化学气相沉积方法在基底上制备石墨烯薄膜；
Figure 264720DEST_PATH_IMAGE002
 对
Figure 395487DEST_PATH_IMAGE001
中所述石墨烯薄膜表面进行氟化：将带有基底的石墨烯薄膜放入真空腔室中，充入氟化氙（XeF2）对石墨烯薄膜表面在70℃温度下进行氟化，或充入氟气（F2）对石墨烯薄膜表面在350℃温度下进行氟化，形成氟化石墨烯薄膜2；
Figure 534345DEST_PATH_IMAGE003
 将
Figure 117773DEST_PATH_IMAGE002
中所述的氟化石墨烯薄膜2表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）膜，然后将所述基底腐蚀去除，剩下由PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2；其次，将PMMA支撑的氟化石墨烯薄膜2转移至聚萘二甲酸乙二醇酯柔性衬底1上，然后将PMMA去除，并对聚萘二甲酸乙二醇酯柔性衬底1上的氟化石墨烯薄膜2进行清洗；
 利用光刻技术在中所述氟化石墨烯薄膜2上制作叉指电极3，最后形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。

Claims (4)

1.氟化石墨烯在制备光电探测器件中的应用。
2.如权利要求1所述的氟化石墨烯在制备柔性光电探测器件中的应用。
3.如权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述光电探测器件的制备方法为：
⑴ 制备绝缘衬底上的石墨烯薄膜样品；
⑵ 对⑴中所述石墨烯薄膜进行氟化；
⑶ 在⑵中所述氟化石墨烯薄膜表面制作叉指电极，形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
4.如权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述光电探测器件的制备方法为：
Figure 873357DEST_PATH_IMAGE001
 将带有基底的沉积态石墨烯薄膜进行氟化；
Figure 2012104095069100001DEST_PATH_IMAGE002
 将⑴中所述氟化石墨烯转移至绝缘衬底上；
Figure 476377DEST_PATH_IMAGE003
 在⑵中所述氟化石墨烯薄膜表面制作叉指电极，形成基于氟化石墨烯的光电探测器件。
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