CN107068785B - 一种光电探测器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电探测器，包括光电转换材料、电极、光源、电压源和电流表；所述光电转换材料的材质为外尔半金属材料。本发明提供的光电探测器无需改变外尔半金属本身的能带结构，应用于光电探测领域中，能够实现在≤300K温度下宽波段(紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段)响应。此外，本发明提供的光电探测器结构简单，无需像基于石墨烯材料的光电探测器需要衬底，也不像基于窄带隙半导体材料的光电探测器一般应用于低温(100K以下)环境中，因而必须有制冷装置。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种光电探测器及其应用。
背景技术
具有宽波段响应(紫外、可见、红外乃至太赫兹)的光电探测技术在许多先进技术领域有重要应用，如成像、遥感、环境监测以及光通信等。因此，自十九世纪光电效应被发现以来，将光信号转化为电信号的宽波段光电探测器就引起了广泛的关注。
基于光电效应，当入射光子能量高于半导体能隙时，电子吸收能量从价带跃迁至导带，实现光电探测，这促进了窄带隙半导体材料(如HgCdTe、PbS和PbSe)在宽波段尤其是中红外区探测的应用。但是由于电子的玻尔兹曼分布，热致载流子的产生将会掩盖光生载流子，因此基于窄带隙半导体材料的光电探测器一般应用于低温(100K以下)环境中。
近年来报道的石墨烯材料由于其无能隙的能带结构和超高的载流子迁移率(105cm2V-1s-1)成为宽波段光电探测领域研究的热点。但此类材料对光的吸收能力弱(单层吸收率为2.3％)，限制了光-电信号转化效率以及室温下可探测到的载流子的产生。目前，基于石墨烯的宽波段探测器已经实现了从可见到中红外波段(532nm～10.31μm)的响应，但同样是在低温(150K以下)环境中实现的。研究表明，通过打开能隙或者引入缺陷态可以改善石墨烯光吸收性能及光电响应性能，但这同时也削弱了其宽波段探测的优势。
此外，无论是基于窄带隙半导体材料还是石墨烯的光电探测器，均存在结构复杂的问题，限制了其在现实中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电探测器及其应用，本发明提供的光电探测器结构简单，应用于光电探测领域中，能够实现在≤300K温度下宽波段(紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段)响应。
本发明提供了一种光电探测器，包括光电转换材料、电极、光源、电压源和电流表；
所述光电转换材料的材质为外尔半金属材料。
优选的，所述外尔半金属材料包括TaAs、NbAs、TaP、NbP、Cd3As2或ZrTe5。
优选的，所述电极的材质包括铜、金、银、铂或镍。
优选的，所述光电转换材料设置在所述电极之间，与所述电极形成欧姆接触。
优选的，所述光电转换材料的形状为块体。
优选的，所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触的两个接触面是平行的。
优选的，所述光电转换材料与所述电极无欧姆接触的一侧设置有所述光源。
优选的，还包括导线，所述电极、电压源和电流表通过导线连接，形成回路。
优选的，所述电压源施加的电压为1nV～1V。
本发明提供了上述技术方案所述光电探测器在光电探测领域中的应用，所适用的温度为≤300K；所适用的波段为紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段。
本发明提供了一种光电探测器，包括光电转换材料、电极、光源、电压源和电流表；所述光电转换材料的材质为外尔半金属材料。本发明提供的光电探测器无需改变外尔半金属本身的能带结构，应用于光电探测领域中，能够实现在≤300K温度下宽波段(紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段)响应；此外，本发明提供的光电探测器结构简单，无需像基于石墨烯材料的光电探测器需要衬底，也不像基于窄带隙半导体材料的光电探测器一般应用于低温(100K以下)环境中，因而必须有制冷装置。
附图说明
图1为光电探测器的结构示意图，图中，1-光源、2-光电转换材料、3-电极、4-电压源、5-电流表；
图2为实施例1中基于外尔半金属材料TaAs的光电探测器所记录的电流变化图；
图3为实施例7中基于外尔半金属材料TaAs的光电探测器所记录的电流变化图；
图4为实施例14中基于外尔半金属材料TaAs的光电探测器所记录的电流变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种光电探测器，包括光电转换材料2、电极3、光源1、电压源4和电流表5；所述光电转换材料的材质为外尔半金属材料；如图1所示。
本发明提供的光电探测器包括光电转换材料2。在本发明中，所述光电转换材料的材质优选包括TaAs、NbAs、TaP、NbP、Cd3As2或ZrTe5。
本发明提供的光电探测器包括电极3。在本发明中，所述电极的材质优选包括铜、金、银、铂或镍。本发明对于所述电极的尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的尺寸即可。
在本发明的实施例中，所述光电转换材料设置在所述电极之间，与所述电极形成欧姆接触。在本发明中，所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触，能够减少载流子迁移时的接触势垒，形成优良回路。
在本发明中，所述光电转换材料的形状优选为块体，更优选为长方体。本发明对于所述光电转换材料的尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的尺寸即可。
在本发明的实施例中，所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触的两个接触面是平行的。在本发明中，所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触的两个接触面是平行的，有利于保证所述光电转换材料与所述电极形成良好的欧姆接触。
本发明提供的光电探测器包括光源1。在本发明的实施例中，所述光源设置在与所述电极无欧姆接触的光电转换材料的一侧。本发明对于所述光源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的光源即可。在本发明中，所述光源的波段优选为紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段。在本发明的实施例中，所述光源的中心波长具体优选为438.5nm～10.29μm，更优选为963.65nm～5.78μm，再优选为2.02～5.06μm，最优选为2.82～4.07μm。在本发明中，所述光源的平均功率优选为0.01mW～1W，更优选为0.1～200mW，最优选为1～100mW。在本发明的实施例中，所述光源的平均功率具体优选为5mW、10mW、20mW、30mW、40mW、50mW、60mW、66mW或70mW。
本发明提供的光电探测器包括电压源4。在本发明中，所述电压源施加的电压优选为1nV～1V，更优选为500nV～700μV，再优选为1～500μV，最优选为100～200μV。本发明对于所述电压源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的能够施加1nV～1V电压的电压源即可。在本发明的实施例中，所述电压源由Keithley 2450提供。在本发明中，所述光电转换材料的电阻在欧姆量级，施加1nV～1V电压可以有效抑制噪声。
本发明提供的光电探测器包括电流表5。本发明对于所述电流表没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的能够测试电流的电流表即可。在本发明的实施例中，所述电流表由Keithley2450提供。
本发明提供的光电探测器还包括导线。本发明对于所述导线没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的导线即可。在本发明的实施例中，所述导线由与所述光电转换材料形成欧姆接触的电极引出。在本发明的实施例中，所述电极、电压源和电流表通过导线连接，形成回路。
本发明对于所述光电探测器的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法即可。
本发明提供了上述技术方案所述光电探测器在光电探测领域中的应用，所述光电探测器所适用的温度为≤300K，所适用的波段为紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段。
在本发明中，所述光电探测器所适用的温度为≤300K，优选为160～299K，更优选为240～298K，最优选为280～297K。
在本发明中，所述光电探测器所适用的波段为紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段。在本发明的实施例中，所述光电探测器所适用的波长具体优选为438.5nm～10.29μm，更优选为963.65nm～5.78μm，再优选为2.02～5.06μm，最优选为2.82～4.07μm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用化学气相传输法生长TaAs晶体(Zhilin Li，Weyl Semimetal TaAs:CrystalGrowth,Morphology,and Thermodynamics，Crystal Growth&Design,2016,16(3):1172-1175.)，将TaAs晶体加工成沿(001)晶向厚度为1.1mm，垂直于(001)晶向截面为2mm×2mm的长方体，作为光电转换材料；
将厚度为0.1mm的铜片加工为1.1mm×2mm×0.1mm的长方体，作为电极；
将所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触(所述光电转换材料设置在所述电极之间，且所述光电转换材料的1.1mm×2mm截面与所述电极的1.1mm×2mm截面形成欧姆接触)，由所述电极引出导线，与电压源和电流表(电压源和电流表均由Keithley 2450提供)连接，形成回路；
中心波长为438.5nm的光源(平均功率分别为5、10、20、30、40、50、60和70mW)垂直于TaAs晶体(001)面入射；
环境温度为室温300K，通过设置Keithley 2450，施加100μV恒压的同时，遮光30s，通光30s，依次交替，记录电流数值的变化，结果如图2所示；图2中横坐标为时间(s)，纵坐标为光电流(μA)，所述光电流＝通光电流-遮光电流。由图2可知，本发明提供的光电探测器在438.5nm波长下有响应。
实施例2：
如实施例1所示，不同的是：所用外尔半金属材料为NbAs晶体。
实施例3：
如实施例1所示，不同的是：所用外尔半金属材料为TaP晶体。
实施例4：
如实施例1所示，不同的是：所用外尔半金属材料为NbP晶体。
实施例5：
如实施例1所示，不同的是：所用外尔半金属材料为Cd3As2晶体。
实施例6：
如实施例1所示，不同的是：所用外尔半金属材料为ZrTe5晶体。
实施例7：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为963.65nm的光源(平均功率分别为5、10、20、30、40和50mW)入射。当所采用的外尔半金属材料为TaAs晶体时，基于外尔半金属材料TaAs的光电探测器所记录的电流变化图如图3所示；图3中横坐标为时间(s)，纵坐标为光电流(μA)，所述光电流＝通光电流-遮光电流。由图3可知，本发明提供的光电探测器在963.65nm波长下有响应。
实施例8：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为2.02μm的光源入射。
实施例9：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为2.82μm的光源入射。
实施例10：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为3.02μm的光源入射。
实施例11：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为4.07μm的光源入射。
实施例12：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为5.06μm的光源入射。
实施例13：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为5.78μm的光源入射。
实施例14：
如实施例1～6所示，不同的是：均由中心波长为10.29μm的光源(平均功率分别为20、40和66mW)入射。当所采用的外尔半金属材料为TaAs晶体时，基于外尔半金属材料TaAs的光电探测器所记录的电流变化图如图4所示；图4中横坐标为时间(s)，纵坐标为光电流(μA)，所述光电流＝通光电流-遮光电流。由图4可知，本发明提供的光电探测器在10.29μm波长下有响应。
由以上实施例可知，本发明提供的光电探测器无需改变外尔半金属本身的能带结构，应用于光电探测领域中，能够实现在≤300K温度下宽波段(紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段)响应。此外，本发明提供的光电探测器结构简单，无需像基于石墨烯材料的光电探测器需要衬底，也不像基于窄带隙半导体材料的光电探测器一般应用于低温(100K以下)环境中，因而必须有制冷装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种光电探测器，包括光电转换材料、电极、光源、电压源和电流表；
所述光电转换材料的材质为外尔半金属材料；
所述光电转换材料设置在所述电极之间，与所述电极形成欧姆接触；
所述光电转换材料与所述电极无欧姆接触的一侧设置有所述光源；
还包括导线，所述电极、电压源和电流表通过导线连接，形成回路。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述外尔半金属材料包括TaAs、NbAs、TaP、NbP、Cd3As2或ZrTe5。
3.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述电极的材质包括铜、金、银、铂或镍。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电转换材料的形状为块体。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述光电转换材料与所述电极形成欧姆接触的两个接触面是平行的。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述电压源施加的电压为1nV～1V。
7.权利要求1～6任一项所述的光电探测器在光电探测领域中的应用，其特征在于，所适用的温度为≤300K；所适用的波段为紫外、可见、近红外、中远红外和太赫兹波段。
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