一种光电探测器、光电逻辑门器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及二维纳米材料的刺激应用领域，尤其涉及光电探测器、光电逻辑门器件及其制备方法。


背景技术：

2.光电逻辑门作为全光网络处理信号的基本元器件单元，是构建全光网络不可或缺的一环。由光电逻辑门构建的全光网络能够避免在大容量核心网络中不必要的光-电转换和电-光转换，提高光信号处理效率，降低系统能耗。
3.在应用上，光电逻辑门的研究不但有助于突破传统电子器件的尺寸限制，构建全光网络，还可以实现可见光通信系统。可见光通信系统可以应用在智能交通系统、街道照明系统和智能家居等。集成大量光电逻辑门，可以实现光信号加密及解密，也可以制作光纤陀螺仪等导航、定位仪器。另外有研究认为，光电逻辑门可以应用于激光混沌雷达。
4.目前，光电逻辑门虽然可以构建出全光网络，但仍然存在信号损耗较高、速率受限制、信号存在延迟和集成困难等问题，而且光电逻辑门的逻辑运算实现方案和混沌信号分组交换等技术仍然有待研究。


技术实现要素：

5.本发明的首要目的是提供一种光电探测器、光电逻辑门器件及其制备方法。该光电逻辑门器件以石墨烯层和设置于石墨烯层上的γ-石墨二炔层为异质结导电沟道，其受两种光信号的影响，在外部光波长365nm至980nm范围内均有着较好的光响应度，扩宽了光波的响应范围，且其工作能耗小，稳定性高，在较小的负偏压下表现出正光电响应，并在正偏压下表现出负光电响应，呈现了优异的光响应性能。另外，本发明提供的γ-石墨二炔层的制备方法简单，成本低，获得的γ-石墨二炔层均匀性和连续性好。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种光电探测器，包括衬底，位于衬底上的石墨烯导电沟道层，位于所述导电沟道层上的γ-石墨二炔吸光和电荷捕获层，以及位于所述吸光和电荷捕获层上两端的第一电极和第二电极。
8.所述石墨烯选用单层或多层；所述γ-石墨二炔的厚度选用20nm至300nm，优选地，所述γ-石墨二炔的厚度选用20nm至50nm。
9.所述衬底选用si/sio2衬底，所述sio2层的厚度选用300nm。
10.选用溶液相范德华外延法在石墨烯导电沟道层上合成γ-石墨二炔薄膜，包括以下步骤：
11.取一定量体积比为1:10的无水thf与dmf超声混合均匀获得混合液a，取一定量的heb-tms和cucl于混合液a中，超声后获得混合液b，混合液b中heb-tms和cucl的浓度均为0.05mmol/l；将铺设有石墨烯的衬底放入水热反应釜中，加入一定体积的上述混合液b，密封后在75℃条件下加热24小时，随后用dmf、hcl以及去离子水洗涤所述衬底，加热烘干后在
石墨烯的表面获得γ-石墨二炔薄膜。
12.一种光电逻辑门器件，所述光电逻辑门器件选用上述光电探测器，所述第一电极作为供能电极，所述第二电极作为输出电极，在所述第一电极与第二电极之间施加一定的偏压，选用波长不同的第一光信号和第二光信号照射所述吸光和电荷捕获层，所述输出电极输出逻辑运算结果。
13.所述光电逻辑门为与门。
14.所述第一光信号和所述第二光信号选用波长在365nm至980nm范围的激光；所述偏压为恒定值。
15.所述第一光信号和所述第二光信号的光强度大于等于0.1mw/cm2时，逻辑为“1”；所述第一光信号和所述第二光信号的光强度小于0.1mw/cm2时，逻辑为“0”。
16.所述第一光信号选用450nm，所述第二光信号选用980nm。
17.所述偏压选用-1000μv至1000μv。
18.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
19.本发明在石墨烯层上设置γ-石墨二炔层形成异质结导电沟道，在γ-石墨二炔层上的两端形成第一电极和第二电极得到具有两端结构的光电逻辑器件，以第一电极作为供能电极，以第二电极作为输出电极，在两个电极之间施加恒定的偏压，并以不同波长的两束激光作为光信号照射γ-石墨二炔层，构筑了在较小的负偏压下呈现出正光电响应，在正偏压下呈现出负光电响应的光电逻辑门器件。该光电逻辑门器件在外部光波长365nm至980nm范围内均有着较好的光响应度，扩宽了光波的响应范围。
20.另外，本发明提供的γ-石墨二炔层通过一步水热反应法获得，简化了工艺，降低了成本，且该制备方法获得的γ-石墨二炔层均匀性和连续性好，器件的光响应性能优异，损耗小，稳定性高，作为新功能光电子器件，有着广阔的应用前景。
附图说明
21.图1为本发明一实施例光电逻辑门器件的制备方法流程图。
22.图2为本发明一实施例光电探测器的结构示意图。
23.图3为本发明实施例在无水thf与dmf的体积比分别为1:10、1:15和1:20时获得的γ-石墨二炔-石墨烯-si/sio2衬底的sem测试图。
24.图4为本发明一实施例两端光电逻辑门器件在施加负偏压-1μv下，分别在450nm和980nm激光照射下的光响应输出曲线。
25.图5为本发明一实施例两端光电逻辑门器件在正偏压1000μv下，分别在450nm和980nm激光照射下的光响应输出曲线。
26.图6为本发明一实施例两端光电逻辑门器件在正偏压1000μv和负偏压-1000μv条件下，逻辑基本单元输出电流与输入光信号强度的关系；其中的“1”、“0”分别代表有光照输入即光照强度为1mw/cm2、暗态即光照强度小于0.1mw/cm2。
27.图7为本发明一实施例的两端光电逻辑门器件的光响应iv特性曲线；
28.图8为本发明一实施例的逻辑基本单元组成及测试示意图。
29.图9为本发明一实施例的端光电逻辑门器件“与”门在正偏压1000μv和负偏压-1000μv条件下，逻辑基本单元输入/输出关系曲线。
具体实施方式
30.接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
31.本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
32.另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
33.如图1至2示，本发明一实施例提供一种光电探测器，包括依次层叠于衬底上的石墨烯导电沟道层103、γ-石墨二炔吸光和电荷捕获层104以及位于吸光和电荷捕获层104上两端的第一电极和第二电极105。衬底选用si衬底101，si衬底的表面具有一sio2介质层102，该sio2介质层的厚度选用300nm。石墨烯导电沟道层位于sio2介质层的表面，石墨烯导电沟道层可以是单层或多层石墨烯，该实施例中，多层是指不超过20层。
34.将si/sio2衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗20min。选用带有铜箔的石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜采用化学气相沉积法生长于铜箔的表面，采用鼓泡法将石墨烯薄膜转移至si衬底上的sio2介质层表面形成石墨烯导电沟道层。
35.在石墨烯导电沟道层上形成γ-石墨二炔薄膜作为吸光和电荷捕获层，具体地，可通过溶液相范德华外延法在石墨烯表面合成γ-石墨二炔薄膜，或者通过转移方法将通过溶液偶联反应合成的γ-石墨二炔薄膜转移至石墨烯表面。γ-石墨二炔层与石墨烯层构成异质结。γ-石墨二炔薄膜的厚度选用20nm至300nm。优选地，其选用20nm至50nm。最优选地，γ-石墨二炔的厚度选用20nm。源极和漏极选用au/ag电极。
36.在一优选实施例中，选用溶液范德华外延法在石墨烯表面原位生长γ-石墨二炔薄膜，选用水热反应釜，采用一步水热反应法，简化了工艺，降低了成本。具体地，取一定量体积比为1:10的无水thf(四氢呋喃)与dmf(n,n-二甲基甲酰胺)加入到烧杯中，并进行超声使两种液体充分混合，称取一定量的heb-tms(六(三甲硅基乙炔基)苯)和cucl于上述烧杯中，并将混合物超声处理30分钟，最终获得的混合液中，heb-tms和cucl的浓度均为0.05mmol/l。将铺有石墨烯的si/sio2衬底(sio2的厚度为300nm)放入25ml的水热反应釜中，并加入15ml的上述混合液。封盖后，将水热反应釜在75℃条件下加热24小时。随后用dmf、1mol hcl以及去离子水洗涤生长有γ-石墨二炔的石墨烯-si/sio2衬底，随后在100℃的加热台上加热10min，获得γ-石墨二炔-石墨烯-si/sio2衬底，图3中的(a)图是该衬底的sem测试图，可以看到γ-石墨二炔的连续性较好。
37.在另一实施例中，无水thf与dmf的体积比为1:15，其它实验参数均与上述实施例相同，获得的γ-石墨二炔-石墨烯-si/sio2衬底的sem测试结果如图3中的(b)图示，相较于(a)图，可以看到石墨烯上的γ-石墨二炔薄厚不一，均匀性较差。在另一实施例中，无水thf与dmf的体积比为1:20，其它实验参数均与上述实施例相同，图3中的(c)图是该实施例的
sem测试结果，很明显其均匀性较差。本发明的无水thf与dmf的体积比优选1:10，获得的γ-石墨二炔厚度的均匀性和连续性好，器件的光响应性能良好。
38.本发明的另一实施例中提供了一种光电逻辑门器件，该光电逻辑门器件选用上述光电探测器，以其第一电极作为供能电极，第二电极作为输出电极，在第一电极和第二电极之间施加恒定的偏压，偏压大小的选择范围为-1000μv至1000μv。以其输出电极作为输出逻辑运算结果的端口用于输出运算结果，该逻辑运算结果受两种光信号影响，呈现出光电导效应。
39.如图8所示，选用波长不同的第一波长光信号和第二波长光信号的激光照射吸光和电荷捕获层施加信号，以输出电流作为输出逻辑运算结果。第一波长光信号和第二波长光信号的波长范围为365nm至980nm。
40.参见图4和图5，在外部光信号波长为450nm和980nm时，供能电压为负偏压条件下，该优选实施例的逻辑门器件呈现出正光电导行为。在供能电压为正偏压条件下，该逻辑门器件呈现出负光电导行为。该正光电导行为和负光电导行为对光响应的倍率高。如图6示，该器件在外部光信号波长365nm至980nm的范围内均有较好的光响应度。
41.光电导效应一般是指光照引起的材料电导率的变化，当材料通电时，光电导效应则表现为电流的变化(对应的光电流)。当光照稳定后，若电流变小，则光电流为负，是负光电导效应；而当光照稳定后，若电流变大，则光电流为正，是正光电导效应。相应的器件则称为“负光电导器件”和“正光电导器件”。参见图7，该优选实施例中的光响应iv特性曲线是在大气环境(常温，常湿)下测试得到的，dark为暗环境下测量所得，光照强度小于0.01mw/cm2；光照条件下为相应波长激光照射下测量所得，光照强度控制在0.1mw/cm2以上。
42.本发明中的“与”逻辑门和基本逻辑单元均以光信号为逻辑输入，具体以光信号的强度作为判断输入光信号逻辑值的标准，如图当光强度大于等于0.1mw/cm2时，则光输入对应的逻辑值为“1”(即输入光信号为逻辑真)；当光强度小于0.1mw/cm2时，则光输入对应的逻辑值为“0”(即输入光信号为逻辑假)。
43.另外，逻辑门以基本逻辑单元为最小输出单元，其中i
out
为逻辑输出端口(即输出逻辑运算结果的端口电流)；当光输入强度达到阈值时(如本实施例中的0.1mw/cm2)，则逻辑输入值为“1”；当光输入强度未达到阈值时，则逻辑输入值为“0”。
44.如图9所示，分别对于在正偏压条件下为1000μv时、负偏压条件下为-1000μv时，当光照强度不同时(对应不同的逻辑输入“0”、“1”)，光电导器件的电流随光照强度的变化不同，即电阻发生变化。当第一光信号为“0”，第二光信号为“0”时，逻辑运算结果为“0”；当第一光信号为“1”，第二光信号为“0”时，逻辑运算结果为“0”；当第一光信号为“0”，第二光信号为“1”时，逻辑运算结果为“0”；当第一光信号为“1”，第二光信号为“1”时，逻辑运算结果为“1”。
45.本发明中，v(供能)正偏压条件下为1μv，负偏压条件下为-1μv，i
out
(即输出逻辑运算结果的端口电流)随着光照的逻辑“0”“1”输入，该光电逻辑门器件的响应倍率会出现一定程度的提高。v(供能)端口可以作为供能部分，也可以通过调控v(供能)端口的正负偏压实现器件的正、负光电响应情况。
46.本发明提供的光电逻辑门器件制作工艺简单，成本低，工作能耗小，稳定性高，作为新功能光电子器件，有着广阔的应用前景。
47.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。