基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器及制备方法

1.本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器及制备方法。


背景技术：

2.宽带可调谐光探测在信息通讯、环境观测、医学影像和军事侦察等领域都具有重要的应用价值。随着信息器件朝着小型化、集成化的方向发展,基于二维材料的光探测器可以直接利用二维材料本征的波段可调谐性对较宽波段的光进行探测,在宽带可调谐光探测领域展现出良好的应用前景。实现宽带可调谐光探测的方法是通过栅极电压调制二维材料本身的吸收特性或电学特性，对光电响应进行调节，进而实现宽带可调谐探测，然而这种设计通常难以兼顾宽带响应和光谱分辨率，也即在宽光谱探测的同时难以实现对特定波段的选择性探测和识别。此外，采用这种结构要想实现多个波段可调谐探测需要多个偏置栅压使用，一定程度上增加了系统复杂度。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器及制备方法。
4.本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
5.基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器，包括基底、设置在基底上的介电层、设置在介电层上的多个波导单元、金属电极，任意两个所述波导单元所采用的钙钛矿材料不同；波导单元包括设置在介电层上的第一光波导线和设置在介电层上的第二光波导线，第一光波导线和第二光波导线相互垂直，第二光波导线连接第一光波导线，第一光波导线位于第二光波导线的两端之间，第二光波导线位于第一光波导线的两端之间；第一光波导线的数量至少为两个且第一光波导线的两端均连接金属电极，或，第二光波导线的数量至少为两个且第二光波导线的两端均连接金属电极。
6.所述的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法，包括如下步骤：准备覆盖有介电层的基底，准备多个成膜基底；在每个成膜基底上制备单晶钙钛矿薄膜，并将单晶钙钛矿薄膜转移到介电层上；对介电层上单晶钙钛矿薄膜采用聚焦离子束技术制备得到多个波导单元，所述波导单元的数量等于成膜基底的数量；在介电层上蒸镀制备金属电极，得到基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器。
7.所述的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤1、准备覆盖有介电层的基底，在介电层上覆盖一层光刻胶，并刻蚀出波导凹槽结构；
9.步骤2、结合掩膜，取一种钙钛矿dmf溶液，通过玻片采用刀涂法在掩膜未覆盖的波导凹槽结构中制备波导单元，待dmf挥发后，一个波导单元制备完成；
10.步骤3、重复步骤2直至所有波导单元制备完成；任意两次执行步骤2所采用的钙钛矿dmf溶液的钙钛矿材料不同；
11.步骤4、移除掩膜，蒸镀制备连接波导单元的金属电极，得到基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器。
12.所述的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法，包括如下步骤：
13.准备覆盖有介电层的基底和多个ito成膜基底层；在每个ito成膜基底层上涂覆ptaa连接层，通过溶液法在ptaa连接层上制备钙钛矿多晶薄膜，用氯苯清洗掉ptaa连接层，得到钙钛矿多晶薄膜，并转移钙钛矿多晶薄膜到介电层上，任意两个所述钙钛矿多晶薄膜所采用的钙钛矿材料不同；采用纳米压印模板在钙钛矿多晶薄膜上压印，移除纳米压印模板得到所有波导单元；蒸镀制备连接波导单元的金属电极，基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器制备完成。
14.本发明的有益效果是：
15.本发明基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器兼顾了宽带响应和光谱分辨率，在宽光谱探测的同时实现对特定波段的选择性探测和识别，利用钙钛矿的强室温光致发光能力、高载流子迁移率、低传播损耗等特性实现具有高灵敏度的光传播和接收探测。利用钙钛矿微米线的波导结构设计，将具有不同光波段选择性结构的钙钛矿微米线集成到一个基底上，在同一基底上，实现对宽波段可调谐探测，本发明的宽带可调谐光探测器避免了传统的多个偏置栅压使用，从而降低系统的复杂度。
16.本发明基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法操作简单，能够得到高质量的宽带可调谐光探测器。
附图说明
17.图1为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的结构示意图。
18.图2为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中硅基底和介电层的结构图。
19.图3为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中第一成膜基底结构图。
20.图4为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中第二成膜基底结构图。
21.图5为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中第三成膜基底结构图。
22.图6为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中得到的单晶钙钛矿薄膜结构图。
23.图7为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例一中进行聚焦离子束操作前的结构图
24.图8为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例二中波导凹槽结构的示意图。
25.图9为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例
二中第一波导单元制备过程图。
26.图10为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例二中第二波导单元制备过程图。
27.图11为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例二中第三波导单元制备过程图。
28.图12为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例二中得到的宽带可调谐光探测器结构图。
29.图13为本发明的基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法实施例三中采用纳米压印模板压印的示意图。
30.图中：1、基底，2、介电层，3、第一波导单元，4、第二波导单元，5、第三波导单元，6、第一光波导线，7、第二光波导线，8、金属电极，9、第一成膜基底，10、第一单晶钙钛矿薄膜，11、第二成膜基底，12、第二单晶钙钛矿薄膜，13、第三成膜基底，14、第三单晶钙钛矿薄膜，15、su-8光刻胶，16、波导凹槽结构，17、纳米压印模板。
具体实施方式
31.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
33.基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器，如图1，包括基底1、介电层2、波导单元和金属电极8。波导单元的数量为多个。基底1、介电层2和波导单元从下至上顺次设置，介电层2设置在基底1上，波导单元设置在介电层2上，金属电极8设置在介电层2上，金属电极8连接波导单元。所有波导单元均采用钙钛矿，任意两个波导单元所采用的钙钛矿材料不同，以实现不同波导单元的光响应波长不同，不同波导单元传输的波段不同，每个波导单元对应一个钙钛矿材料，任意两个波导单元所采用的钙钛矿材料组分不同即组分不完全相同(任意两个波导单元之间钙钛矿材料的组成元素不完全相同)，或，任意两个波导单元所采用的钙钛矿材料组分相同但组分的含量不完全相同。波导单元包括设置在介电层2上的第一光波导线6和设置在介电层2上的第二光波导线7，第一光波导线6和第二光波导线7相互垂直，第一光波导线6连接第二光波导线7，第一光波导线6位于第二光波导线7的两端之间，第二光波导线7位于第一光波导线6的两端之间，第一光波导线6的中部与第二光波导线7中部连接，上述中部指非端部。第一光波导线6的数量至少为两个，或第二光波导线7的数量至少为两个，或第一光波导线6和第二光波导线7的数量均至少为两个。金属电极8连接第二光波导线7的两端，第一光波导线6的数量至少为两个且第一光波导线6的两端均连接金属电极8，或，第二光波导线7的数量至少为两个且第二光波导线7的两端均连接金属电极8。第一光波导线6的数量至少为两个和/或第二光波导线7的数量至少为两个，金属电极8包括金属正电极和金属负电极，如果第一光波导线6的数量至少为两个但第二光波导线7的数量为一个，则金属电极8连接第一光波导线6，具体为金属正电极连接每个第一光波导线6的一端，金属负电极连接每个第一光波导线6的另一端，如果第二光波导线7的数量至少为两个但第
一光波导线6的数量为一个，则金属电极8连接第二光波导线7，具体为金属正电极连接每个第二光波导线7的一端，金属负电极连接每个第二光波导线7的另一端，如果第二光波导线7的数量和第一光波导线6的数量均至少为两个但为一个，则金属电极8连接第一光波导线6或第二光波导线7。
34.例如共设有三个波导单元，在此为作区分，分别称之为第一波导单元3、第二波导单元4和第三波导单元5。第一波导单元3、第二波导单元4和第三波导单元5的材料可为mapbi3、mapbbr
xi3-x
、mapbbr3，3＞x＞0(此时组分不完全相同)；或者，第一波导单元3、第二波导单元4和第三波导单元5的材料可为mapbbr
xi3-x
、mapbbr
yi3-y
、mapbbr
zi3-z
，3＞y＞0，3＞z＞0，x≠y≠z(此时组分相同但组分的含量不完全相同)；或者，第一波导单元3、第二波导单元4和第三波导单元5的材料可为mapbbr
xi3-x
、mapbbr
yi3-y
、mapb
1-c
snci
3-a
bra，其中0＜c＜0.1，0＜a＜3，在此不进行穷举。如图1，每个波导单元包括一个第一光波导线6和三个第二光波导线7，三个第二光波导线7顺次设于第一光波导线6的中部，也就是第二光波导线7不设于第一光波导线6端部，第一光波导线6连接第二光波导线7的中部，第一光波导线6的一端称为a端另一端称为b端，三个第二光波导线7的一端分别为c1端、c2端和c3端，与c1端、c2端和c3端一一对应的第二光波导线7的另一端分别为d1端、d2端和d3端，入射光入射到第一光波导线6的a端，电学信号可在第二光波导线7的c1端、c2端、c3端、d1端、d2端和d3端接收，实现高灵敏探测。
35.第一光波导线6和第二光波导线7均为微米线结构，即横截面直径为几百纳米到几微米，长度均可以为几到几十微米。基底1的材料为硅。介电层2的材料为二氧化硅或氧化铪。
36.本发明基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器利用十字形的钙钛矿微米线波导实现高效光传播，并采用同质钙钛矿与微米线波导结合进行高灵敏的接收探测。利用具有不同光响应的钙钛矿微米线结构集成到一个基底1上，从而在同一基底1上可以实现对宽波段的光探测。
37.本发明基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器兼顾了宽带响应和光谱分辨率，在宽光谱探测的同时实现对特定波段的选择性探测和识别，利用钙钛矿的强室温光致发光能力、高载流子迁移率、低传播损耗等特性实现具有高灵敏度的光传播和接收探测。利用钙钛矿微米线的波导结构设计，将具有不同光波段选择性结构的钙钛矿微米线集成到一个基底1上，在同一基底1上，实现对宽波段可调谐探测，本发明的宽带可调谐光探测器避免了传统的多个偏置栅压使用，从而降低系统的复杂度。
38.本发明基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器的制备方法给出3种实施方式，采用下述方法，能够得到高质量的宽带可调谐光探测器。
39.实施方式一、准备一个目标基底即覆盖有二氧化硅层的硅基底1(硅基底1上覆盖一层300nm厚的二氧化硅层)如图2和三个成膜基底(钙钛矿单晶基底嵌入在pdms支撑体中)如图3至5；利用光刻法辅助的基于溶液外延生长和转移方法(利用pi掩膜)，在第一成膜基底9上制备高质量的第一单晶钙钛矿薄膜10如图6，并转移该第一单晶钙钛矿薄膜10到二氧化硅层上，利用光刻法辅助的基于溶液外延生长和转移方法，在第二成膜基底11上制备高质量的第二单晶钙钛矿薄膜12如图6，并转移该第二单晶钙钛矿薄膜12到二氧化硅层上，利用光刻法辅助的基于溶液外延生长和转移方法，在第三成膜基底13上制备高质量的第三单
晶钙钛矿薄膜14如图6，并转移该第三单晶钙钛矿薄膜14到二氧化硅层上，上述三个单晶钙钛矿薄膜的组分和/或组分含量存在不同，此时得到如图7所示的结构，通过聚焦离子束制备出单晶波导，即得到三个波导单元；蒸镀制备金属电极8，得到基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器。
40.实施方式二、准备一个目标基底，在目标基底上覆盖一层su-8光刻胶15，并su-8光刻胶15上刻蚀出波导凹槽结构16，如图8，波导凹槽结构16对应最终欲得到的多个波导单元；结合掩膜，取一种钙钛矿dmf溶液，如图9，通过玻片采用刀涂法在掩膜未覆盖的波导凹槽结构16中制备第一波导单元3，待dmf(n,n-二甲基甲酰胺)挥发，第一波导单元3制备完成；结合掩膜，取钙钛矿不同于上一种的钙钛矿dmf溶液的一种钙钛矿dmf溶液，如图10，通过玻片采用刀涂法在掩膜未覆盖的波导凹槽结构16中制备第二波导单元4，待dmf(n,n-二甲基甲酰胺)挥发，第二波导单元4制备完成；结合掩膜，取钙钛矿不同于前两种的钙钛矿dmf溶液的一种钙钛矿dmf溶液，如图11，通过玻片采用刀涂法在掩膜未覆盖的波导凹槽结构16中制备第三波导单元5，待dmf(n,n-二甲基甲酰胺)挥发，第三波导单元5制备完成；移除掩膜，得到钙钛矿波导结构，即得到三个波导单元，上述光刻胶可刻蚀掉也可保留；蒸镀制备金属电极8，得到基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器，如图12。
41.实施方式三、准备一个目标基底和3个ito成膜基底层；在第一ito成膜基底层上，涂覆第一ptaa连接层(ptaa为聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺])，通过溶液法在第一ptaa连接层上制备第一钙钛矿多晶薄膜，用氯苯清洗掉第一ptaa连接层，得到第一钙钛矿多晶薄膜，并转移第一钙钛矿多晶薄膜到目标基底上；在第二ito成膜基底层上，涂覆第二ptaa连接层，通过溶液法在第二ptaa连接层上制备第二钙钛矿多晶薄膜，用氯苯清洗掉第二ptaa连接层，得到第二钙钛矿多晶薄膜，并转移第二钙钛矿多晶薄膜到目标基底上；在第三ito成膜基底层上，涂覆第三ptaa连接层，通过溶液法在第三ptaa连接层上制备第三钙钛矿多晶薄膜，用氯苯清洗掉第三ptaa连接层，得到第三钙钛矿多晶薄膜，并转移第三钙钛矿多晶薄膜到目标基底上；根据欲得到的所有波导单元准备纳米压印模板17，如图13并将此纳米压印模板17压印在三个钙钛矿多晶薄膜上，移除此模板后得到钙钛矿多晶波导，也就是得到三个波导单元；蒸镀制备金属电极8，得到基于钙钛矿微米线波导的宽带可调谐光探测器。