CN115799361A - 一种偏振光电探测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种偏振光电探测器及制备方法，偏振光电探测器包括：衬底、第一材料层MoSe₂、第二材料层NiPS₃以及电极，第一材料层位于所述衬底的上方，第二材料层位于所述第一材料层的上方并与第一材料层形成二维异质结，电极设置在材料层以及衬底上；偏振光电探测器的制备方法包括：提供衬底；在衬底上方形成第一材料层；在第一材料层的上方形成第二材料层，在第二材料层上方加工出电极。MoSe₂与NiPS₃形成的二维异质结具有偏振性能，经过本方法制备的偏振光电探测器，表现出了高光灵敏度、快速光响应以及自驱动响应优势；光电流显示出强烈的光偏振相关性，最大二色比较大。

Description

一种偏振光电探测器及制备方法

技术领域

本发明涉及偏振敏感光电探测技术领域，尤其涉及一种偏振光电探测器及制备方法。

背景技术

近年来，将光信号转化为电信号的光电检测设备的研究与开发已广泛应用于医疗诊断、光学成像、光纤通信等领域。探测器通常需要在低温复杂的冷却设施环境中进行，无法在分布式环境监测或紧凑的电信网络等普通环境中使用。二维(2D)材料具有平面内各向异性晶体结构，由于其电子和带结构的高度方向依赖性，其有效质量、光吸收和电传输具有很强的各向异性，可应用于角度分辨的光电，如偏振光谱成像、偏振光电探测器和光学雷达。同时，大多数具有元表面结构的光学介质被用来应用光相位和偏振，但制造过程复杂且昂贵。虽然一维(1D)纳米线或纳米带如ZnO、InP和Sb₂S₃也可以表现出线性二色效应和偏振光探测能力，但小的展弦比阻碍了二色比，限制了其器件制造性的多样性。

过渡金属二硫属化物(TMDCs)在光电、光伏和光电化学应用中引起了极大的关注。TMDCs的特性高度依赖于堆叠原子层的数量。MoSe₂作为过渡金属二硫属化物(TMDCs)家族的新成员，具有许多奇异的特性，如弱层间耦合和缺乏间接到直接的间隙转变。NiPS₃宽带隙各向异性半导体，带隙1.6eV，反铁磁性，适用于铁磁存储器件，紫外光电探测器件，光催化HER和ORR等。

光电探测器是将光信号转变成电信号(光电压或光电流)的一种器件，是光通信及光互连、光传感等通信***中不可或缺的部分。目前，现有的探测器光灵敏度不足，光偏振相关性弱，光响应与自驱动响应与各项性能水平一般，并限制了探测器在各复杂环境条件下的应用。

发明内容

本发明针对上述问题，至少克服一个，提出了一种偏振光电探测器及制备方法。

本发明采取的技术方案如下：

本申请提供一种偏振光电探测器，包括：

衬底；

第一材料层，位于所述衬底的上方，所述第一材料层的材料为MoSe₂；

第二材料层，位于所述第一材料层的上方，所述第二材料层的材料为NiPS₃，所述第二材料层和第一材料层形成二维异质结；

漏电极，位于所述衬底和第一材料层的上方；

源电极，位于所述衬底和第二材料层的上方。

通过对本发明提供的一种偏振光电探测器分析，结果表明MoSe₂与NiPS₃形成的二维异质结具有偏振性能，并且由于异质结中内建电场的存在，实现了高性能自驱动光电探测器和加了偏压后的偏振光电流。

进一步的，所述第一材料层的厚度为5～90纳米，所述第二材料层的厚度为5～90纳米。

进一步的，所述衬底包括相互连接的第一衬底层以及第二衬底层，所述第二衬底层设置在所述第一衬底层的上方，所述第一衬底层的材料为SiO₂，所述第二衬底层的材料为Si。

进一步的，所述偏振光电探测器还包括栅电极，所述栅电极为所述第二衬底层。

进一步的，所述漏电极以及所述源电极的材料为钛金。

进一步的，所述漏电极以及所述源电极各包括两个，两个漏电极与两个源电极给连接电路提供可选择性，实际运用时可按需选择连接位置。

本申请还提供一种偏振光电探测器的制备方法，包括：

提供衬底；

在衬底上方形成第一材料层，所述第一材料层的材料为MoSe₂；

在第一材料层的上方形成第二材料层，并与上述第一材料层形成二维异质结，所述第二材料层的材料为NiPS₃；

在衬底和第一材料层的上方加工出漏电极，在衬底和第二材料层的上方加工出源电极。

经过本方法制备的偏振光电探测器，表现出了高光灵敏度、快速光响应以及自驱动响应优势；光电流显示出强烈的光偏振相关性，最大二色比较大。

进一步的，形成所述二维异质结层的具体步骤包括：

准备第一材料层以及第二材料层；

将所述第一材料层铺设在所述衬底表面形成目标衬底；

准备PDMS材料，将PDMS材料置于载板上；

准备PVA溶剂，将PVA溶剂注在PDMS材料上，加热后获得转移辅助薄膜；

所述转移辅助薄膜的PVA一侧粘附所述第二材料层；

将粘附有所述第二材料层的转移辅助薄膜堆叠到所述目标衬底上，使第二材料层与第一材料层接触，所述第二材料层与所述第一材料层形成二维异质结；

移除所述PDMS材料；

浸泡在去离子水中，除去PVA。

进一步的，所述漏电极以及所述源电极采用激光直写和蒸镀工艺制备而来。

进一步的，在加工出漏电极和源电极后，在惰性气体环境中进行退火处理。

将加工出的漏电极和源电极在惰性气体环境中进行退火处理可以提高电接触质量，以便最终获得稳定高效的自驱动和偏振光探测器。

实际运用时，所述惰性气体为氮气和氩气。

进一步的，所述退火处理的温度为80～150℃，所述退火处理的时间为0.5～2小时。

本发明的有益效果是：

(1)通过对本发明提供的一种偏振光电探测器分析，结果表明MoSe₂与NiPS₃形成的二维异质结具有偏振性能，并且由于异质结中内建电场的存在，实现了高性能自驱动光电探测器和加了偏压后的偏振光电流。

(2)通过本发明制造出来的偏振光电探测器表现出了高光灵敏度、快速光响应以及自驱动响应优势；光电流显示出强烈的光偏振相关性，最大二色比较大。

(3)本申请提供的偏振光电探测器制备方法过程简单、技术成熟、室温操作且成本低廉，非常有利于大规模制备和应用。

附图说明

图1是本实施例偏振光电探测器主视方向结构示意图；

图2是本实施例偏振光电探测器俯视方向结构示意图；

图3是本实施例偏振光电探测器的制备方法的流程图；

图4是本实施例偏振光电探测器二维异质结的显微镜实物放大图；

图5是本实施例偏振光电探测器的线性I_ds-V_ds曲线图；

图6是本实施例偏振光电探测器的光电流开关曲线图；

图7是本实施例偏振光电探测器的光响应度和光电流随光功率密度的变化情况图；

图8是本实施例偏振光电探测器在635纳米光照下随偏振角度变化的光电流图；

图9是本实施例偏振光电探测器中二维异质结的AFM图。

图中各附图标记为：

1、衬底；11、第一衬底层；12、第二衬底层；2、第一材料层；3、第二材料层；4、漏电极；5、源电极。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

如图1、图2以及图4所示，本申请提供一种偏振光电探测器，包括：

衬底1；

第一材料层2，位于衬底1的上方，第一材料层2的材料为MoSe₂；

第二材料层3，位于第一材料层2的上方，第二材料层3的材料为NiPS₃，第二材料层3和第一材料层2形成二维异质结；

漏电极4，位于衬底1和第一材料层2的上方；

源电极6，位于衬底1和第二材料层3的上方。

通过对本发明提供的一种偏振光电探测器分析，如图8、图9所示，结果表明MoSe₂与NiPS₃形成的二维异质结具有偏振性能，并且由于异质结中内建电场的存在，实现了高性能自驱动光电探测器和加了偏压后的偏振光电流。

于本实施例中，第一材料层2的厚度为80纳米，第二材料层3的厚度为10纳米。

实际运用时，第一材料层2的厚度为5～90纳米，优选为30～50纳米，第二材料层3的厚度为5～90纳米，优选为30～50纳米。

于本实施例中，衬底1包括相互连接的第一衬底层11以及第二衬底层12，第二衬底层12设置在第一衬底层11的上方，第一衬底层11的材料为SiO₂，第二衬底层12的材料为Si。

于本实施例中，第一衬底层11(SiO₂)的厚度为300纳米，第二衬底层12(Si)的厚度为10微米。

于本实施例中，偏振光电探测器还包括栅电极，栅电极为第二衬底层12。

于本实施例中，漏电极4以及源电极6的材料为钛金。

于本实施例中，钛层厚度为2纳米，金层厚度为70纳米。

于本实施例中，漏电极4以及源电极6各包括两个，两个漏电极4与两个源电极6给连接电路提供可选择性，实际运用时可按需选择连接位置。

如图3所示，本申请还提供一种偏振光电探测器的制备方法，包括：

步骤S100，提供衬底；

步骤S200，在衬底上方形成第一材料层，第一材料层的材料为MoSe₂；

步骤S300，在第一材料层的上方形成第二材料层，并与上述第一材料层形成二维异质结，第二材料层的材料为NiPS₃；

步骤S400，在衬底和第一材料层的上方加工出漏电极，在衬底和第二材料层的上方加工出源电极。

经过本方法制备的偏振光电探测器，表现出了高光灵敏度、快速光响应以及自驱动响应优势；光电流显示出强烈的光偏振相关性，最大二色比较大，可达2.1。

如图5、6所示，经过本方法制备的偏振光电探测器在波长为635纳米的激光照射下，随光功率密度在10mW·cm^-2到55mW·cm^-2变化下，偏振光电探测器的光灵敏度逐渐增加，特别的，当NiPS₃的厚度为10纳米以及MoSe₂的厚度为80纳米时，光灵敏度R_635nm可以达到145mA·W^-1。

如图7所示，经过本方法制备的偏振光电探测器在波长为635纳米的激光照射下，当V_ds＝0V时，随光功率密度在55mW·cm^-2到10mW·cm^-2变化下，光电探测器的光响应度随光功率密度减小而增大；光电探测器的光电流随光功率密度减小而增大。

于本实施例中，步骤S300中形成二维异质结层的具体步骤包括：

步骤S3100，准备第一材料层以及第二材料层；

步骤S3200，将第一材料层铺设在衬底表面形成目标衬底；

步骤S3300，准备PDMS材料，将PDMS材料置于载板上；

步骤S3400，准备PVA溶剂，将PVA溶剂注在PDMS材料上，加热后获得转移辅助薄膜；

步骤S3500，所述转移辅助薄膜的PVA一侧粘附所述第二材料层；

步骤S3600，将粘附有所述第二材料层的转移辅助薄膜堆叠到所述目标衬底上，使第二材料层与第一材料层接触，所述第二材料层与所述第一材料层形成二维异质结；

步骤S3700，移除所述PDMS材料；

步骤S3800，浸泡在去离子水中，除去PVA。

于本实施例中，获得转移辅助薄膜的加热温度为50～80摄氏度，加热时间为6～10分钟。

于本实施例中，移除所述PDMS材料前还包括将堆叠好的二维异质结加热，加热温度为70～90摄氏度，加热时间为6～10分钟，以便从堆叠好的二维异质结层上机械剥离出PDMS材料。

于本实施例中，执行步骤S3100具体包括，通过机械剥离方法在基底上分别获得第一材料层以及第二材料层。

于本实施例中，剥离出第一材料层以及第二材料层的基底经过清洗步骤处理，清洗的具体步骤包括：

先用肥皂水、丙酮溶液、异丙醇溶液中各超声处理1～30min；

后用臭氧紫外或者氧气等离子体中清洗2～5min，氧气流量为30～60sccm，等离子功率为80～110W。

于本实施例中，漏电极以及源电极采用激光直写和蒸镀工艺制备而来。

于本实施例中，在加工出漏电极和源电极后，在惰性气体环境中进行退火处理。

将加工出的漏电极和源电极在惰性气体环境中进行退火处理可以提高电接触质量，以便最终获得稳定高效的自驱动和偏振光探测器。

实际运用时，惰性气体为氮气和氩气。

于本实施例中，退火处理的温度为80～150℃，退火处理的时间为0.5～2小时。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种偏振光电探测器，其特征在于，包括：

衬底；

第一材料层，位于所述衬底的上方，所述第一材料层的材料为MoSe₂；

第二材料层，位于所述第一材料层的上方，所述第二材料层的材料为NiPS₃，所述第二材料层和第一材料层形成二维异质结；

漏电极，位于所述衬底和第一材料层的上方；

源电极，位于所述衬底和第二材料层的上方。

2.如权利要求1所述的偏振光电探测器，其特征在于，所述第一材料层的厚度为5～90纳米，所述第二材料层的厚度为5～90纳米。

3.如权利要求1所述的偏振光电探测器，其特征在于，所述衬底包括相互连接的第一衬底层以及第二衬底层，所述第二衬底层设置在所述第一衬底层的上方，所述第一衬底层的材料为SiO₂，所述第二衬底层的材料为Si。

4.如权利要求3所述的偏振光电探测器，其特征在于，所述偏振光电探测器还包括栅电极，所述栅电极为所述第二衬底层。

5.如权利要求1所述的偏振光电探测器，其特征在于，所述漏电极以及所述源电极的材料为钛金。

6.一种偏振光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在衬底上方形成第一材料层，所述第一材料层的材料为MoSe₂；

在第一材料层的上方形成第二材料层，并与上述第一材料层形成二维异质结，所述第二材料层的材料为NiPS₃；

在所述衬底和所述第一材料层的上方加工出漏电极，在所述衬底和所述第二材料层的上方加工出源电极。

7.如权利要求6所述的一种偏振光电探测器的制备方法，其特征在于，形成所述二维异质结层的具体步骤包括：

准备第一材料层以及第二材料层；

将所述第一材料层铺设在所述衬底表面形成目标衬底；

准备PDMS材料，将PDMS材料置于载板上；

准备PVA溶剂，将PVA溶剂注在PDMS材料上，加热后获得转移辅助薄膜；

所述转移辅助薄膜的PVA一侧粘附所述第二材料层；

将粘附有所述第二材料层的转移辅助薄膜堆叠到所述目标衬底上，使第二材料层与第一材料层接触，所述第二材料层与所述第一材料层形成二维异质结；

移除所述PDMS材料；

浸泡在去离子水中，除去PVA。

8.如权利要求6所述的一种偏振光电探测器的制备方法，其特征在于，所述漏电极以及所述源电极采用激光直写和蒸镀工艺制备而来。

9.如权利要求6所述的一种偏振光电探测器的制备方法，其特征在于，在加工出漏电极和源电极后，在惰性气体环境中进行退火处理。

10.如权利要求9所述的一种偏振光电探测器的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为80～150℃，所述退火处理的时间为0.5～2小时。

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