基于GdIG辅助的双异质结柔性光电探测器、制备及应用

本发明属于材料科学，光电器件，半导体器件及微纳加工制造，具体涉及一种基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器、制备方法及其应用。

背景技术：

1、近年来，开发新一代电子应用器件的需求不断增加，如生物集成传感器和柔性可穿戴设备等。这些应用场景对半导体材料提出了新的要求，需要其具有独特的机械、光学、电学等性能。柔性光电探测器是开发柔性可穿戴系统的基本元件，可广泛用于健康监测、环境监测、人机交互、柔性显示等。通过制备范德瓦尔斯异质结构就可以像制作三明治一样可以将二维材料随意堆叠组合，而不用考虑晶格失配的问题。种类繁多的二维材料为制备二维范德瓦尔斯异质结构提供了一个广阔的材料基础。但是由于低维材料构建的柔性光电探测器，大部分都是基于光伏效应原理，以及对低维材料的掺杂难以稳定调节控制，导致会产生较大暗电流，影响器件探测弱信号的能力。因此，寻找合适的材料以及结构对构建高性能的柔性光电探测器有着极其深远的意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器及其制备方法，该探测器通过构建双范德瓦尔斯异质结，加速载流子的分离，提升器件的响应度；通过不同材料的结合金属实现从可见光到近红外波段的宽光谱响应。利用具有优异的均匀性和连续性的钆铁石榴石薄膜作为中间层来优化双异质结界面，提高异质结间的势垒高度，阻挡多数载流子暗电流，提升器件探测弱信号的能力，以满足对高性能柔性光电探测器的重大需求。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、本发明一方面，提供了一种基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

4、1)取pet基底，清洗干净；

5、2)在pet基底上沉积一层金属al，形成铝掩壁，并在金属al表面定义方形窗口；

6、3)在所述窗口上均匀旋涂二硫化钼分散液，烘干，形成二硫化钼薄膜；

7、4)控制磁控溅射的条件，溅射钆铁石榴石薄膜到所形成的窗口中的二硫化钼薄膜表面，获得一层钆铁石榴石插层；

8、5)去除铝掩壁，获二硫化钼薄膜和上层的钆铁石榴石插层薄膜；

9、6)制备石墨烯薄膜并转移到pet基底上，完全覆盖钆铁石榴石插层和二硫化钼薄膜表面；

10、7)通过光刻和等离子体工艺刻蚀石墨烯薄膜边缘，得到石墨烯薄膜；

11、8)通过紫外光刻和电子束沉积技术在石墨烯薄膜上面沉积一层金属al，在金属al表面定义方形窗口；

12、9)控制磁控溅射的条件，溅射钆铁石榴石薄膜到所形成的窗口中的石墨烯薄膜表面，形成钆铁石榴石插层；

13、10)在所形成的钆铁石榴石插层上均匀旋涂单壁碳纳米管分散液，烘干，形成单壁碳纳米管薄膜；

14、11)去除金属al，获得单壁碳纳米管薄膜和下层的钆铁石榴石插层；

15、12)在所得到石墨烯薄膜两端和单壁碳纳米管薄膜两端制备探测器的金属电极，得到基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器。

16、本发明的进一步改进在于，步骤3)中，利用匀胶机以2000-5000转/min速度旋涂一层二硫化钼分散液，旋涂时间为30-60秒，旋涂好的样品放到100℃的烘烤台上烘烤10-20min。

17、本发明的进一步改进在于，步骤4)、9)中，控制磁控溅射机的背底真空为2×10-5，溅射气压为1帕，通入体积比为1:1，气流量均为20sccm的氧气和氩气，溅射功率设置为60w，磁控溅射时间为20s，钆铁石榴石插层厚度为2-5nm。

18、本发明的进一步改进在于，步骤6)中，采用pmma湿法转移的方法来转移石墨烯薄膜到pet基底上。

19、本发明的进一步改进在于，步骤8)中，在石墨烯薄膜上面沉积一层100-200nm金属al。

20、本发明的进一步改进在于，步骤12)中，在石墨烯薄膜和单壁碳纳米管薄膜左右两侧制备10-30nm厚的金属cr及60-90nm厚的金属au电极。

21、本发明另一方面，提供了一种所述方法制备得到的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器，包括pet基底、二硫化钼薄膜、钆铁石榴石插层、石墨烯薄膜、单壁碳纳米管薄膜和金属电极；二硫化钼薄膜位于pet基底表面，钆铁石榴石插层覆盖在二硫化钼薄膜上方，石墨烯薄膜覆盖在钆铁石榴石插层和pet基底表面，石墨烯薄膜上方覆盖有一层钆铁石榴石插层，单壁碳纳米管薄膜覆盖在钆铁石榴石插层上方，单壁碳纳米管薄膜在石墨烯薄膜上方，与石墨烯薄膜呈交叉状图案，它们之间也具有钆铁石榴石插层分隔开。金属电极位于覆盖在pet基底上的石墨烯薄膜上以及方形窗口相对应的两侧。

22、作为优选，石墨烯薄膜覆盖在pet基底上方形窗口的二硫化钼薄膜与钆铁石榴石插层叠加的上表面，以及与方形窗口两侧pet基底上的长方形石墨烯薄膜上。

23、本发明再一方面，提供了基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器在智能医疗检测中应用。

24、本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：

25、1.本发明提供探测器通过二硫化钼和石墨烯，以及石墨烯和单壁碳纳米管构建双范德瓦尔斯异质结，而两个异质结的不对称性会带来更大的内建电场，加速载流子的分离，产生更大的光响应，大大提升了器件的响应度；并且通过不同材料的结合，拓宽器件的响应光谱范围，可以实现从可见光到近红外波段的宽光谱响应。

26、2.利用具有优异的均匀性和连续性的钆铁石榴石薄膜作为中间层来优化双异质结界面，由此提高异质结间的势垒高度，阻挡了多数载流子暗电流，提升器件探测弱信号的能力。

27、当钆铁石榴石薄膜作为中间层插入时，单壁碳纳米管和石墨烯，以及石墨烯和二硫化钼在空间上分离，沿着钆铁石榴石薄膜产生电势，从而显著改善异质结势垒和内建电场。当无光时，由于能量不足，试图穿过势垒的热生载流子被阻挡，这样内建电场产生的多数载流子暗电流得到抑制。此外，在光照时，更大的内建电场使得电荷的隧穿加速，2-5nm薄的钆铁石榴石层失去作用，更多的空穴通过隧穿效应流向单壁碳纳米管和石墨烯，形成了更高的光电流，增强了器件的比探测率。

28、利用用具有优异的均匀性和连续性的钆铁石榴石薄膜作为中间层来优化双异质结界面，阻挡了多数载流子暗电流，使得探测器在可见到近红外的宽光谱波段具有优异的光响应能力。双异质结与钆铁石榴石作为中间层材料的结合，使得器件具有宽光谱、高响应度以及弱光探测的特点，实现技术创新。

29、3.制备器件所采用的都是柔性材料，使得器件具有良好的机械稳定性。

30、由于器件制备采用二维材料，以及柔性衬底来构建光电探测器，二维半导体材料具有很强的抗形变能力，并且原子层厚度的二维材料保证了器件的透明性和柔软性，克服了传统探测器不可弯曲变形的问题。

技术特征：

1.一种基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，利用匀胶机以2000-5000转/min速度旋涂一层二硫化钼分散液，旋涂时间为30-60秒，旋涂好的样品放到100℃的烘烤台上烘烤10-20min。

3.根据权利要求1所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤4)、9)中，控制磁控溅射机的背底真空为2×10-5，溅射气压为1帕，通入体积比为1:1，气流量均为20sccm的氧气和氩气，溅射功率设置为60w，磁控溅射时间为10-20s。

4.根据权利要求3所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，钆铁石榴石插层厚度为2-5nm。

5.根据权利要求1所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤6)中，采用pmma湿法转移的方法来转移石墨烯薄膜到pet基底上。

6.根据权利要求1所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤8)中，在石墨烯薄膜上面沉积一层100-200nm金属al。

7.根据权利要求1所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤12)中，在石墨烯薄膜和单壁碳纳米管薄膜左右两侧制备10-30nm厚的金属cr及60-90nm厚的金属au电极。

8.一种如权利要求1-7任一项所述方法制备得到的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器，其特征在于，包括pet基底、二硫化钼薄膜、钆铁石榴石插层、石墨烯薄膜、单壁碳纳米管薄膜和金属电极；二硫化钼薄膜位于pet基底表面，钆铁石榴石插层覆盖在二硫化钼薄膜上方，石墨烯薄膜覆盖在钆铁石榴石插层和pet基底表面，石墨烯薄膜上方覆盖有一层钆铁石榴石插层，单壁碳纳米管薄膜覆盖在钆铁石榴石插层上方，金属电极位于覆盖在pet基底上的石墨烯薄膜上以及方形窗口相对应的两侧。

9.根据权利要求8所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器，其特征在于，金属电极采用10nm-30nm金属cr作为过渡层和60-90nm金属au作为电极，电极与石墨烯薄膜和单壁碳纳米管薄膜形成欧姆接触。

10.根据权利要求9所述的基于gdig辅助的双异质结柔性光电探测器在智能医疗检测中应用。

技术总结
本发明公开了一种基于GdIG辅助的双异质结柔性光电探测器、制备及应用，该探测器包括PET基底、二硫化钼薄膜、钆铁石榴石插层、石墨烯薄膜、单壁碳纳米管薄膜和金属电极。该探测器通过构建双范德瓦尔斯异质结，加速载流子的分离，提升器件的响应度；通过不同材料的结合金属实现从可见光到近红外波段的宽光谱响应。利用具有优异的均匀性和连续性的钆铁石榴石薄膜作为中间层来优化双异质结界面，提高异质结间的势垒高度，阻挡多数载流子暗电流，提升器件探测弱信号的能力，以满足对高性能柔性光电探测器的重大需求。

技术研发人员：杨树明,张泽,吉培瑞,程奕炜,和生妹,张国锋
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14