一种基于过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器的制作方法

本发明属于纳米尺度电子器件技术领域，具体涉及一种基于过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器。

背景技术：

随着科技的飞速发展，各种电子零部件朝着更小(即结构尺度更小)、更快(即反应速度更快)及更冷(即功耗低、发热少)的趋势发展，甚至已越来越接近于原子尺度。纳米器件的研发和应用已引起科学家们的广泛研究兴趣。

最近几年来，二维单层材料以其独特的几何和电子结构、力学和光电性质等吸引了物理、材料和化学等众多领域研究人员的极大研究热情。诸如石墨烯、氮化硼、硅烯、过渡金属二硫化物、磷烯、mx烯、锗烯、硼烯以及锡烯等已被成功制备出来。大量研究发现，许多二维材料在力、热、光、电、磁等方面表现出优异的特性，它们有望成为新一代的高性能纳米器件的重要候选材料，并已开辟了许多全新的研究和应用领域。

单层的过渡金属硫族化物存在三种结构，即1t、2h和1t′相(t.heine,transitionmetalchalcogenides:ultrathininorganicmaterialswithtunableelectronicproperties[j],acc.chem.res.48,65(2015))。这三种不同相的过渡金属硫族化物同素异构体会表现出完全不同的电子特征，例如，1t相的二硫化钒单层表现出金属特性，而2h相的二硫化钒则表现出半导体特性。最近的研究发现，不同种类的过渡金属二硫化物可以构成垂直排列的范德瓦尔斯层状异质结或共面排列的侧面异质结(z.zhang,etal.,epitaxialgrowthoftwo-dimensionalmetal-semiconductortransition-metaldichalcogenideverticalstacks(vse2/mx2)andtheirbandalignments[j],acsnano13,885(2019))，进而表现出一些新奇的特性。关于其光电性质及在纳米器件领域的潜在应用尚未有相关研究报道。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种基于过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器。通过设计将1t相结构的二硫化钒单层(即1t-vs2)与2h相结构的二硫化钼单层(即2h-mos2)组合成一个共面排列的侧面异质结结构,当在异质结两端分别加上源极(source)、漏极(drain)和栅极(gate)电极时，即可构成一个光电晶体管结构，在光照射下，该光电晶体管会产生一定的电流信号，并对一定能量(颜色)的光子具有较高的敏感度，表现出较好的光子探测作用。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器，其特征在于该光子探测器由呈现金属性的1t相结构的二硫化钒单层与呈现半导体性的2h相结构的二硫化钼单层组成的共面侧面异质结构成。

进一步优选，所述的过渡金属二硫化物侧面异质结光子探测器按照如图1所示的两种接触结构。第一种结构为：1t相二硫化钒单层与2h相结构二硫化钼均沿着它们的锯齿型方向接触耦合，如图1(a)所示；第二种结构为：1t相二硫化钒单层与2h相结构二硫化钼均沿着它们的扶手椅型方向接触耦合，如图1(b)所示。

进一步优选，所述的过渡金属二硫化物侧面异质结光子探测器由二维的1t相二硫化钒及2h相二硫化钼单层在共面方向上构成侧面异质结，另外包含有漏极、源极和栅极三部分。其中，漏极施加在1t相二硫化钒一侧，源极施加在2h相二硫化钼一侧，栅极施加在二者的界面附近，当在异质结两端分别加上源极(source)、漏极(drain)和栅极(gate)电极时，即可构成一个光电晶体管结构，该光电晶体管能够实现光照下发电的作用，并对蓝光具有较强的敏感度和吸收能力，同时具有较好的光子探测作用，能够作为纳米尺度光子探测器的候选材料。

本发明设计了一种基于过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器，可实现光照下发电的作用，并对特定能量的光子(蓝光)具有较强的敏感度和吸收能力(如图2所示)，具有较好的光子探测作用，可作为纳米尺度光子探测器的候选材料。

本发明具有结构超薄、尺寸可调及功耗低等优良特点，能够应用于蓝光的探测、捕获、吸收和过滤。

附图说明

图1是过渡金属二硫化物侧面异质结的光子探测器的原子尺度示意图，其中图1(a)是锯齿型的侧面异质结结构，图1(b)为扶手椅型的侧面异质结结构，左侧为1t相二硫化钒，右侧为2h相二硫化钼。每种结构均包含漏极、源极和栅极三部分结构，其中漏极施加在左侧1t相二硫化钒部分；源极施加在右侧的2h相二硫化钼部分，栅极施加在二者的交界处附近。

图2是在无外电压作用时锯齿型和扶手椅型两类侧面异质结的光电流曲线图，图2(a)为锯齿型，图2(b)为扶手椅型。

图3是当在栅极上施加有限门电压时两类侧面异质结光子探测器的光电流谱线测量结果，图3(a)为锯齿型，图3(b)为扶手椅型。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

本发明构造了由1t相结构的二硫化钒(1t-vs2)单层与2h相结构的二硫化钼(2h-mos2)单层组合而成的共面侧面异质结结构。本发明通过使用业界先进的器件设计工具quantumatk[smidstrup,etal.,quantumatk:anintegratedplatformofelectronicandatomic-scalemodellingtools[j].j.phys.:condens.matter32,015901(2020)]进行器件模型设计，并对其进行性能测量。采用密度泛函结合非平衡格林函数技术对该侧面异质结的光电性质进行了研究。通过对其光电性质如光电流的测量，揭示了该种1t-vs2/2h-mos2侧面异质结的发电特性和光电子探测作用，为进一步设计和实现具有优良光伏发电和光子探测作用的基于过渡金属二硫化物单层侧面异质结光电器件提供了相关理论依据和模型构造方案。

基于过渡金属硫族化物1t-vs2/2h-mos2侧面异质结的光子探测器由1t相的二硫化钒单层和2h相的二硫化钼单层及左侧漏极、右侧源极和底部栅极构成，共有两类构造，分别为锯齿型和扶手椅型，如图1(a)和1(b)所示，且两类构造表现出相似的光电特性。

此纳米尺度过渡金属硫族化物1t-vs2/2h-mos2侧面异质结的光电性质测量和光子探测作用的实现可按照如下步骤完成：

一、分别按照如图1(a)和1(b)所示，将二维的1t相二硫化钒单层和2h相二硫化钼单层分别沿着它们的锯齿形方向和扶手椅型方向耦合接触，构成两类侧面异质结结构。

二、分别对两类侧面异质结的原子结构进行优化，收敛标准为原子间受力小于为止，即得到能量最低的两类异质结稳定结构。

三、分别在两类异质结的1t相二硫化钒单层区域施加漏极电源，在2h相的二硫化钼单层区域施加源极电源，并在异质结的交界处底部附近施加栅极，且两类异质结构成的三极管在垂直于输运方向大小尺寸可调，可根据实际需要制作成尺寸多样的光子探测器。

四、通过该侧面异质结的光电流曲线可通过以下关系式测量得到

在无外电压作用时，两类侧面异质结光子探测器的光电流曲线测量结果如图2所示。两类侧面异质结均表现出较好的光伏发电特性和光子探测作用。在可见光区，两类异质结都对蓝光表现出较高的敏感度和探测作用。在整个am1.5范围内，锯齿型异质结每秒种产生的总的光电流大小为3.0x10^-18安培，而扶手椅型异质结每秒种产生的总的光电流大小可达3.4x10^-18安培。

当在栅极上施加有限门电压时，例如从-0.3伏特到0.3伏特，两类侧面异质结光子探测器的光电流谱线测量结果如图3所示。在门电极调控作用下，两类异质结仍然对蓝光具有较高的敏感度和探测能力。另外，在负的门电压作用下，锯齿型异质结在远红外区间表现出较好的发电作用；而扶手椅型异质结则在正的门电压作用下在远红外区间有较好的发电作用。

本发明设计的过渡金属二硫化物侧面异质结光子探测器具有结构超薄、尺寸可调、功耗低、性能优良的特点。可根据实际需要任意制作大小尺寸各异的各型号光子探测器。如图1所示，两类过渡金属二硫化物侧面异质光子探测器的厚度不到4埃，在x方向的尺寸可根据实际需要任意定制调控。该种过渡金属二硫化物侧面异质结光子探测器对蓝光具有较高的敏感度和探测作用，性能突出，且功耗低，在无外界电源或极低栅极电压作用下即可实现对蓝光的探测作用，并可在光伏发电材料领域具有潜在应用。

以上描述了本发明的基本形状构造、技术方案、基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解。本发明凡符合上述由1t相和2h相过渡金属二硫化物构成的侧面异质结光电器件均落入本发明保护范围内。