一种夹层石墨烯量子点光电探测器及其制备方法与流程

本发明属于光电探测，具体涉及一种夹层石墨烯量子点光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器是一类把光辐射信号转变为电信号的器件，具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在军事和国民经济的各个领域有着广泛的用途。

2、石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，由于石墨烯的厚度仅仅为原子级别并且具有独特的电学特征，使其在光电器件的应用领域展现出巨大优势。然而，石墨烯是一种零带隙半导体，其光学吸收能力较弱，并且产生的电子-空穴对寿命短，大大影响了光电探测器的响应度。而且由于衬底及界面效应引起的各种散射会对石墨烯的迁移率产生较大影响，进而影响空穴的运输，导致光电探测器的响应度降低。

3、因此，制备一种具有超高响应度的石墨烯光电探测器，成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种夹层石墨烯量子点光电探测器及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明技术方案之一：一种夹层石墨烯量子点光电探测器，所述光电探测器由复合薄膜/纳米沟槽阵列、金属源漏电极和量子点构成；

4、所述复合薄膜/纳米沟槽阵列包括纳米沟槽阵列、覆形于所述纳米沟槽阵列表面的金属反射层和覆形于所述金属反射层上方的石墨烯层；

5、所述金属源漏电极沉积于所述复合薄膜/纳米沟槽阵列的沟槽两端；

6、所述量子点填充于所述复合薄膜/纳米沟槽阵列的沟槽中间。

7、本发明以石墨烯作为量子点产生的光生载流子的输运沟道，覆形于纳米沟槽阵列表面，实现石墨烯/量子点/石墨烯的夹层结构。这样的结构设置一方面可以利用纳米沟槽阵列的沟槽深度控制填充的量子点厚度，使量子点薄膜厚度增加至1μm以上，实现响应波段入射光的全吸收；另一方面，设置双面的石墨烯结构可以增加光生载流子的收集效率，实现一种具有超高响应度的光电探测器。

8、进一步地，所述纳米沟槽阵列的沟槽为倒梯形沟槽，所述倒梯形沟槽上底边为300～500nm，下底边为200～300nm，深度为0.8～1.2μm；

9、所述沟槽上底边间距为200～300nm。

10、本发明设置的倒梯形沟槽表面略微倾斜，使侧壁也有一定的光压，能让复合薄膜紧贴侧壁，从而能够有效保证复合薄膜覆形的质量。

11、进一步地，所述金属反射层为al、ag或cu层，厚度为5～15nm；所述石墨烯层为单层石墨烯。

12、进一步地，所述纳米沟槽阵列与金属反射层通过高分子聚合物b进行连接，所述金属反射层与石墨烯层通过高分子聚合物a进行连接。

13、更进一步地，所述高分子聚合物b的热形变温度低于所述高分子聚合物a的热形变温度；

14、所述高分子聚合物b成膜后的厚度为1～15nm；

15、所述高分子聚合物a成膜后的厚度为1～15nm。

16、本发明设置高分子聚合物b的热形变温度低于所述高分子聚合物a的热形变温度是因为：在后续的退火中需要保证在退火温度下，高分子聚合物b发生热形变，与衬底沟槽更好地结合，而高分子聚合物a不发生热形变，以防石墨烯脱落或者产生褶皱。

17、作为优选，高分子聚合物b为聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯腈，高分子聚合物a为聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯或聚丙烯。

18、进一步地，所述金属源漏电极包括ag、au或pt，厚度与所述复合薄膜/纳米沟槽阵列的沟槽深度一致，金属源漏电极平行于沟槽的沉积长度为沟槽长度的1/10。

19、进一步地，所述量子点为pbs量子点、pbse量子点或hgte量子点。

20、本发明技术方案之二：上述夹层石墨烯量子点光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

21、(1)在单层石墨烯上表面依次旋涂高分子聚合物a、蒸发镀金属反射层、旋涂高分子聚合物b，得到复合薄膜；

22、(2)制备纳米沟槽阵列；

23、(3)将步骤(1)得到的复合薄膜转移至步骤(2)制备的纳米沟槽阵列表面，光压覆形，之后进行退火处理，得到复合薄膜/纳米沟槽阵列；

24、(4)在步骤(3)得到的复合薄膜/纳米沟槽阵列沟槽的两端沉积金属源漏电极；

25、(5)在步骤(4)沉积金属源漏电极后的复合薄膜/纳米沟槽阵列沟槽的中间填充量子点，得到所述夹层石墨烯量子点光电探测器。

26、进一步地，步骤(1)中，所述蒸发镀金属反射层的具体步骤为：在真空条件下使金属蒸发，在高分子聚合物a形成的膜表面凝结成膜，形成金属反射层。

27、进一步地，步骤(2)中，所述纳米沟槽阵列的具体制备方法为：以si、ge、sic或sio2为衬底，利用光刻形成沟槽阵列图案，之后利用干法刻蚀或湿法刻蚀形成沟槽阵列；

28、更进一步地，所述干法刻蚀为rie刻蚀，所述湿法刻蚀为碱性溶液湿法刻蚀；rie刻蚀和碱性溶液湿法刻蚀为本领域常规刻蚀方法并非本发明保护内容，在此不做赘述。

29、进一步地，步骤(3)中，所述转移为干法转移或湿法转移；干法转移或湿法转移为本领域常规转移方法并非本发明保护内容，在此不做赘述。

30、进一步地，步骤(3)中，所述光压覆形为步进式光压覆形，具体步骤为：在真空条件下，利用功率密度为102～105w/cm2的光逐次照射500～1000μm宽度区域内的复合薄膜，单次照射时长为1～10ms，直至复合薄膜全部覆形于沟槽表面；

31、光压是照射在物体上的光所产生的压力，光是由没有静态质量但有动量的光子构成的，当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用及压力。单位面积光压的表达式如下：

32、p＝(1+r)np＝(1+r)nhv/c

33、其中r是反射率，n是光子数量，h是普朗克常量，v是入射光的频率，c是光速。所以光压的大小主要由照射面的反射率、光功率密度和入射光的波长决定。金属反射层使得反射率可以达到90％以上，单层石墨烯的激光损伤阈值可以达到3tw/cm2，因此可以通过增加激光的光功率密度以及使用波长较短的激光来获得足够的光压，将复合薄膜覆形于纳米沟槽表面。

34、当复合薄膜被光压压入沟槽时，薄膜整体会出现横向移动。为了控制薄膜移动速率，采用步进式光压法。

35、本发明采用步进式光压法，能够有效保证光压覆形的成功，防止大面光压覆形使得薄膜移动速度过快，发生破裂。

36、进一步地，步骤(3)中，所述退火处理为：在真空或惰性气氛中进行，温度为130℃～150℃，时间为5～10min；

37、本发明利用退火处理能够进一步增强薄膜和纳米槽阵列结构的结合强度；

38、进一步地，步骤(4)中，所述沉积的具体过程为：利用硬掩模工艺在所述复合薄膜/纳米沟槽阵列沟槽的两端形成金属源漏电极图案，之后在真空条件下使金属蒸发，在金属源漏电极图案上沉积；

39、本发明金属源漏电极采用热蒸镀方式是由于溅射的能量比较大会破坏石墨烯。

40、进一步地，步骤(5)中，所述量子点的制备方法为胶体化学法，所述填充的具体步骤为：将量子点分散于有机溶剂中，之后将含有量子点的有机溶剂分散液滴涂、喷涂或旋涂填充至纳米沟槽阵列的沟槽中间；

41、更进一步地，所述胶体化学法的具体制备步骤可参考论文《基于硒化铅量子点的宽光谱光电探测器研究》。

42、更进一步地，所述有机溶剂包括二甲基甲酰胺、正辛烷、正十二烷酸、辛醇、辛基三乙氧基硅烷、辛基二甲氧基硅烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、丙烯酸-2-羟乙基甲基丙烯酯或偏二甲酸二辛酯。

43、不同的有机溶剂在pbs量子点的分散效果和稳定性可能会有所不同，选择适合的有机分散剂可根据具体情况进行优化。

44、更进一步地，所述量子点与二甲基甲酰胺溶液的质量比为1∶10～100。

45、本发明技术方案之三：上述夹层石墨烯量子点光电探测器在光电探测中的应用。

46、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

47、本发明量子点与单层石墨烯形成了肖特基结，量子点受到光照产生电子-空穴对，其中的载流子(与所用量子点的种类有关，若采用pbs量子点，其载流子为空穴)会在肖特基结内建电场的作用下漂移进入石墨烯，在源漏电极外加偏压的作用下产生光生电流，实现对光辐射的探测。由于石墨烯具有15000cm2/(v·s)的超高载流子迁移率，光生电子或者空穴会在其载流子寿命内多次循环于电流回路内，从而具有很高的光电导增益。再加之量子点1μm以上的吸收厚度和双层石墨烯带来的高收集效率，使得本发明制备的夹层石墨烯量子点光电探测器具有超高的响应度和外量子效率，其响应度达到1×107a/w，其外量子效率达到9×105％；以及超低的光电响应时间，其响应时间达到0.61ms。