CN110459548B - 一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器及其制备方法。该光电探测器包括光纤、范德瓦尔斯异质结结构、一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极，光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连；范德瓦尔斯异质结结构位于光纤的端面，从下到上依次为二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜和石墨烯薄膜；一对光纤端面金属电极分别连接范德瓦尔斯异质结结构两端的石墨烯薄膜。本发明制备的光电探测器可以实现可见到近红外波段弱光探测功能，以及全波段的强光探测功能，同时具有较好的稳定性和抗干扰能力，在光通讯、光传感领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光电探测器领域。更具体而言，涉及一种全新的超高响应度、高速响应、超宽带光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是将光信号转化为电信号的器件，当光电探测器受到光辐照时，会引起其电导率的变化从而利用电学方法检测出来。光电探测器在军事以及国民经济的各个领域均有广泛的运用，其中超高灵敏度的光电探测器在现代光通讯、环境检测、生物医学研究等研究领域有突出贡献。光电探测器可以分为两种类型，一种是光子型探测器，探测器中的半导体材料直接吸收光子产生电导率的变化，这是一种有选择性响应波长的探测器件，比如光电管、光电导探测器、光伏性探测器等；一种是热探测器，探测器中的探测元件吸收光辐射的能量而造成温度的升高，造成物理参量的改变而被检测出来，这是一种无波长选择性的探测器件，比如热释电探测器、热敏电阻等。光子型探测器具有高的探测率和光响应度，对于弱光强度的入射光具有独特的优势，但是其探测的波长范围由于受到半导体材料带隙的限制通常较窄。热探测器具有宽的光谱响应范围，但是其探测率和响应度较低，因此适合于强光强度的入射光的探测。但是，由于光子型探测器和热探测器物理机理的不同，传统探测器很难兼顾高的响应度与宽的响应波长范围。
石墨烯二维材料作为一种零带隙半导体材料，自其发现以来得到世界范围的广泛关注。本征单层石墨烯具有高达200000cm2/(V·s)的电子迁移率，高达5300W/mK的热导率，远高于传统的半导体材料。此外石墨烯还具有高的机械强度、良好的弯曲性能、易于与其他材料结合，使得石墨烯能够与很多结构进行良好地集成。在光电探测器方面，石墨烯可以用于制备高速的宽带光电探测器，其良好的热导率及电子迁移率使得探测器的响应速度很快，其零带隙的性质使得探测器响应的波长范围很宽，但是由于本征石墨烯的光吸收率很小(单层石墨烯对于可见、近红外波段的垂直入射光只有2.3％吸收率)，而且电子空穴复合率高、寿命低，导致了其光电增益很小，从而极大限制了器件的光响应度；此外，石墨烯的零带隙导致其无法存在开或关的状态，因此限制了其应用。具有一定宽度的带隙的过渡金属二硫化物(TMDCs)、黑磷(BP)等类石墨烯二维材料自石墨烯之后被陆续发现，它们以其良好的光电性能，被广泛的运用在光电二极管、光电晶体管、光电探测器的领域。在光电探测器方面，这些类石墨烯二维材料光电探测器具有良好的开关性能。但是，一方面，受限于电子迁移率以及缺陷的影响，其响应度往往难以做到极高，响应速度也较为缓慢；另一方面，受限于二维半导体材料本身带隙的限制，其探测波长范围往往较小，局限在可见光波段。
将石墨烯与一种类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，可以增强类石墨烯二维材料的载流子迁移率，从而大幅提高探测器的光响应度，但是响应速度依然较慢，探测波长范围依然较小。将多种不同的类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，由于它们具有不同的功函数，可以形成一个内建的电场来加速电子、空穴分离和复合的速度，从而提高响应速度以及光响应度；由于它们之间存在不同二维材料的层间的电子跃迁，可以降低入射光子所需的能量，从而扩展探测波长范围，但是其光响应度依旧相对较小。
发明内容
本发明的目的在于将石墨烯与多种不同的类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，提供一种基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器。本发明的另一个目的是提供一种该光电探测器的制备方法。
本发明的光电探测器采用的技术方案是：
一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，包括光纤、范德瓦尔斯异质结结构、一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极，光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连；所述范德瓦尔斯异质结结构位于光纤的端面，从下到上依次为二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜和石墨烯薄膜；所述一对光纤端面金属电极分别连接范德瓦尔斯异质结结构两端的石墨烯薄膜。
进一步地，所述一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极相对于光纤的轴线对称分布。
优选地，金属电极的材料为金，厚度为40nm。
优选地，所述一对光纤端面金属电极之间的间距为5-15μm。
优选地，所述石墨烯薄膜为3-10层，所述二硫化钼薄膜为3-10层，所述二硫化钨薄膜为3-10层。
本发明制备上述光电探测器的方法，具体步骤如下：
(1)利用化学气相沉积法在铜箔表面生长石墨烯薄膜，在蓝宝石或者云母表面生长二硫化钼薄膜和二硫化钨薄膜；用PMMA溶液对上述三种薄膜进行旋涂，并对空的蓝宝石衬底进行旋涂形成PMMA薄膜，再用三氯化铁水溶液腐蚀铜箔，用氢氧化钠水溶液腐蚀蓝宝石或云母；之后将获得的石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜、二硫化钨薄膜及PMMA薄膜转移到去离子水中清洗数次，用玻璃片或者硅片将所有薄膜取出后加热干燥；
(2)去除光纤涂敷层，并用乙醇溶剂超声清洗数次，然后将光纤端面切平；
(3)将拉制的光纤探针或尖锐的金属探针放置于三维平移台上，在显微镜下将步骤(1)制得的薄膜切割成条状小片并用探针挑起，按照二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜、石墨烯薄膜的顺序依次放置在步骤(2)制备的光纤端面上，形成范德瓦尔斯异质结结构，然后加热使结构与光纤牢固结合；最后用探针将PMMA薄膜挑起，覆盖在范德瓦尔斯异质结结构上并与结构的薄膜方向垂直；
(4)利用物理气相沉积法，在步骤(3)获得的光纤端面及侧壁上均匀沉积一层金属薄膜，然后用探针将覆盖的PMMA薄膜去除，再磨去光纤侧壁和光纤端面上的部分金属薄膜，制得一对光纤侧壁金属电极和一对光纤端面金属电极，且光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连。
本发明基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器的原理为：在弱光条件下，器件工作在光子型探测器模式，光电导效应起主导作用。在短波长条件下，一束光辐照到范德瓦尔斯异质结上会导致二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)中电子、空穴对的分离，其中电子和空穴由于内建电场的作用分别向石墨烯层和二硫化钨(WS2)层中移动。由于石墨烯本身是P型的，多数载流子为空穴，电子的注入会导致空穴浓度的减小，从而导致其电导率的下降，产生负的光电流。与此同时，在二硫化钨(WS2)层中的空穴会形成一个类似栅极的作用对石墨烯进行静电掺杂，进一步使得其电导率下降。在长波长条件下，与短波长条件不同之处在于，一束光辐照到范德瓦尔斯异质结上时，二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)层中电子、空穴对受到带隙的影响无法分离，但是，电子会从二硫化钨(WS2)层的导带跃迁到二硫化钼(MoS2)层的价带中从而使电子、空穴分离，P型石墨烯中电子的注入以及二硫化钨(WS2)层中空穴的栅压影响会使得其电导率减小，光电流为负。而在强光条件下，器件工作在热探测器和光子型探测器的混合模式，光电导效应和光辐射热效应共同作用，并以光辐射热效应主导。随着光功率的增加，石墨烯对于光辐照产生的热的响应逐渐体现出来，使得电导率变大，产生正的光电流，与光电导效应产生的负的光电流相互抵消并最终使得光电流大小为正。在强光和弱光情况下，该传感器的光响应度和入射光功率都有优异的log-log线性相关性，因此可以用于光功率的传感探测。同时，器件对不同波长的光响应不同，因此可以用作光波长的传感探测。
本发明基于光纤端面的由石墨烯与多种类石墨烯二维材料组成的范德瓦尔斯异质结，实现了一种具有超高光响应度、高响应速度、超宽带的探测波长范围的高性能光电探测器，相比现有技术，该光电探测器具有以下优势：(1)可以实现可见到近红外波段弱光探测功能，探测精度极高。(2)该光电探测器可以实现及全波段的强光探测功能，同时具有较好的稳定性和抗干扰能力，在光通讯、光传感领域有广泛应用前景。(3)该光电探测器的制备方法简单，成本低廉，成品率高，对多种二维材料都有适用性。(4)该光电探测器的基底不局限于光纤端面，对于各种平面体系有良好的兼容性，包括硅基、玻璃、聚合物、陶瓷等。
附图说明
图1本发明基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器的结构示意图及测试电路图。1-端面电极，2-侧壁电极，3-范德瓦尔斯异质结。
图2本发明基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器的制备流程图。
图3是本发明基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器典型的测试性能图，(a)为器件的电流以及光电流在不同施加偏压下的响应曲线；(b)为器件光电响应度与入射光功率的关系曲线；(c)为器件光电响应度与入射光波长的关系曲线。
具体实施方式
下面进一步阐明本发明实施过程。
图1本发明基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器的结构示意图，包括光纤端面电极1、光纤侧面电极2、覆盖在光纤纤芯之上和端面电极之下的范德瓦尔斯异质结3。其中，光纤端面电极1和光纤侧面电极2相连，并相对光纤轴心对称分布，电极之间的间距与光纤纤芯直径匹配。在测试时，通过光纤侧面电极2和光纤端面电极1给范德瓦尔斯异质结3施加外置偏压，当光通过光纤纤芯辐照到范德瓦尔斯异质结3的表面时，产生的光电流会被光纤端面电极1、光纤侧面电极2导出、分析。
为实现图1的器件，本实施例制备的详细流程如图2所示：
(1)薄膜制备：利用化学气相沉积法在铜箔表面生长石墨烯薄膜，在蓝宝石或者云母表面生长二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)薄膜。用PMMA溶液对上述薄膜进行旋涂，并对空的蓝宝石衬底进行旋涂，再用三氯化铁水溶液腐蚀铜箔，用氢氧化钠水溶液腐蚀蓝宝石或云母。之后将获得的石墨烯、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)及PMMA薄膜转移到去离子水中清洗数次，用玻璃片(SiO2)或者硅片(Si)将其取出后加热干燥。
(2)去除光纤涂敷层，并用乙醇溶剂超声清洗数次，利用光纤切割刀将光纤端面切平；
(3)将拉制的光纤探针或尖锐的金属探针放置于三维平移台上，在显微镜下将在玻璃片(SiO2)或者硅片(Si)上的薄膜切割成条状小片并用光纤探针挑起，按照二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)、石墨烯的顺序依次放置在步骤(2)制备的光纤端面的中心处，形成的范德瓦尔斯异质结3，之后加热使其与光纤牢固结合。最后用同样的方法将PMMA薄膜挑起，放置在光纤端面中心并与之前的石墨烯范德瓦尔斯异质结薄膜垂直。
(4)利用物理气相沉积法，在光纤端面及侧壁均匀沉积一层金属薄膜，先用光纤探针将覆盖的PMMA薄膜去除；之后用细砂粒的光纤抛光片，磨去光纤侧壁上的部分金属薄膜，制得一对金属电极；然后利用钨金属探针在光纤端面上刮除部分金属薄膜，形成一对金属电极，即得到本实施例的光电探测器，其中光纤侧壁上的金属电极和端面上的金属电极相连。
本发明的光电探测器的感光元件不局限于石墨烯与二硫化钼、二硫化钨的组合，能带之间有交错的半导体材料都可以作为感光元件。
图3是本发明实施例的测试结果，本发明基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器的测试***，包括光源、单模光纤、耦合器、商用光电探测器、数字源表、电极夹具、计算机和本实施例制备的光电探测器。光源输出的光通过单模光纤接入耦合器，耦合器接出的两条光纤分别接入本实施例制备的光电探测器和商用光电探测器。由数字源表通过电极夹具对光纤端面电极提供电压并实时检测其电流大小，并将测试结果通过电脑软件实时地显示并记录。在不同施加偏压下，记录器件的电流以及光电流的响应曲线得到图3(a)，从线性的I-V曲线可以看出器件具有良好的欧姆接触；改变入射光的功率，记录器件的光电流大小并计算其光响应度得到图3(b)，可以看到器件具有极高的光响应度，并且光响应度和功率有log-log线性关系；改变入射光的波长，记录器件的光电流大小并计算其光响应度得到图3(c)，可以看到器件具有很宽的工作带宽。
在入射光功率为5fW的400nm波长的入射下，对器件施加-3V的偏压，其光响应度可达107A/W的量级，响应速度较快，可以达到ms的量级；在入射光功率为20nW的1550nm波长的入射下，对器件施加-3V的偏压，其光响应度可达10A/W的量级，响应速度可以达到ms的量级。
从以上的测试结果可以看出，本发明采用石墨烯和两层类石墨烯二维材料，相比于现有其他范德瓦尔斯异质结，具有更高的光响应度，更快的响应时间，以及更加宽带的波长相应范围。
Claims (8)
1.一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，其特征在于，包括光纤、范德瓦尔斯异质结结构、一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极，光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连；所述范德瓦尔斯异质结结构位于光纤的端面，从下到上依次为二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜和石墨烯薄膜；所述一对光纤端面金属电极分别连接范德瓦尔斯异质结结构两端的石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，其特征在于，所述一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极相对于光纤的轴线对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，其特征在于，金属电极的材料为金，厚度为40nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，其特征在于，所述一对光纤端面金属电极之间的间距为5-15μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜为3-10层，所述二硫化钼薄膜为3-10层，所述二硫化钨薄膜为3-10层。
6.如权利要求1所述一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)利用化学气相沉积法在铜箔表面生长石墨烯薄膜，在蓝宝石或者云母表面生长二硫化钼薄膜和二硫化钨薄膜；用PMMA溶液对上述三种薄膜进行旋涂，并对空的蓝宝石衬底进行旋涂形成PMMA薄膜，再用三氯化铁水溶液腐蚀铜箔，用氢氧化钠水溶液腐蚀蓝宝石或云母；之后将获得的石墨烯薄膜、二硫化钼薄膜、二硫化钨薄膜及PMMA薄膜转移到去离子水中清洗数次，用玻璃片或者硅片将所有薄膜取出后加热干燥；
(2)去除光纤涂敷层，并用乙醇溶剂超声清洗数次，然后将光纤端面切平；
(3)将拉制的光纤探针或尖锐的金属探针放置于三维平移台上，在显微镜下将步骤(1)制得的薄膜切割成条状小片并用探针挑起，按照二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜、石墨烯薄膜的顺序依次放置在步骤(2)制备的光纤端面上，形成范德瓦尔斯异质结结构，然后加热使结构与光纤牢固结合；最后用探针将PMMA薄膜挑起，覆盖在范德瓦尔斯异质结结构上并与结构的薄膜方向垂直；
(4)利用物理气相沉积法，在步骤(3)获得的光纤端面及侧壁上均匀沉积一层金属薄膜，然后用探针将覆盖的PMMA薄膜去除，再磨去光纤侧壁和光纤端面上的部分金属薄膜，制得一对光纤侧壁金属电极和一对光纤端面金属电极，且光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，石墨烯薄膜的层数为3-10层，二硫化钼薄膜的层数为3-10层，二硫化钨薄膜的层数为3-10层。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，金属薄膜的材料为金，厚度为40nm。
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