一种石墨烯‑钙钛矿复合结构的光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯‑钙钛矿复合结构的光探测器及其制备方法，该光探测器包括衬底，所述衬底上敷设有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有电极；还包括敷设在石墨烯层上的钙钛矿材料层。可实现超快探测，并且集成度更高，具有微纳结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光探测器，尤其是一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器以及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种二维六角蜂窝状材料，是目前世界上已知的最坚硬的材料。石墨烯由于独特的能带结构(零带隙)和超高的电子迁移率，吸收光谱范围从紫外到远红外，光吸收率为2.3％，使石墨烯有望成为新型半导体材料。由于石墨烯的零带隙结构，光照后产生的电子空穴对经过皮秒级时间就被复合掉。因此可以采用石墨烯作为超快光电探测器材料，例如通过在石墨烯中建造p-n结，使得在一个超宽带宽500GHz下提高光激载流子的时间1.5ps至4ps[Nature Nanotech.7，114(2012)]；或者与其他二维材料WS2、MoS2和石墨烯组成一个复合结构都可以提高石墨烯光电探测器的效率。然而，石墨烯较低的吸收截面，实际应用中面临单层石墨烯吸收率偏低的问题，制约了单一石墨烯在光电器件上应用，目前大多数石墨烯光电探测器的响应率还限制在几十mAW-1量级[Nature Photon.7，888(2013)]。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术提供一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器及其制备方法，该光探测器其响应率高。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，包括衬底，所述衬底上敷设有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有电极；还包括敷设在石墨烯层上的钙钛矿材料层。将半导体量子点或其他2D材料复合到石墨烯层上形成复合结构的光电探测器，可以大大提高响应率提高，如Graphene-PbS探测器响应率达5×107AW-1@600nm[Nature Nanotech.7，363(2012)]，Graphene-MoS2探测响应率高达5×108AW-1@635nm，其低温下响应率最高达1×1010AW-1[Nature Nanotech.8，826(2013)]，但因为光吸收发生在量子点附近，所以牺牲了探测器的响应波段。为满足通讯波段1550nm波段的光电探测，研究人员提出了Graphene-Bi2Te3复合结构[ACS Photonics 2，832(2015)]。其次，也可以将器件做成光学微腔或平面光子晶体腔的形式，来提高光子吸收率。射入的光子在微腔内多次放射，提高石墨烯层的吸收，最高吸收率可达60％[Nano Lett.12，2773(2012)]。作为一种优选，所述石墨烯层由二维石墨烯或者三维石墨烯墙制成。作为一种改进，所述钙钛矿材料为甲基卤化物钙钛矿，并同时包括多种卤素元素的混晶；甲基卤化物化学式为CH3NH3PbX3，其中X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或者几种。甲基卤化物(CH3NH3PbX3，X＝卤族元素)钙钛矿具有良好的本征光电性质，被用来作为光伏电池的光吸收材料。这个纳米结构的优势包括直接带隙，很高的光吸收系数，高载流子迁移率，使他们能够更好的进行光吸收。这种结构结合了石墨烯宽波段吸收的特点和甲基卤化物钙钛矿横截面高光吸收，得到很大的光电流和超高的量子效率。石墨烯层中的电子转移至最近的钙钛矿层，来填满由光吸收导致的钙钛矿化学键中的空能级。所以，光激电子空穴对在钙钛矿中的复合时间被阻碍，使得光激电子在钙钛矿的导带中而不能很快复合，从而提高响应率。作为一种改进，所述钙钛矿材料中甲基卤化物为CH3NH3Pb(ClxBryIz)3，其中x+y+z＝1。作为一种改进，所述电极为双层结构，其上层为40-200nm的Au层，下层为5-50nm的Cr层。作为一种改进，所述基底为P型硅掺杂硼，其上表面覆盖有SiO2层。一种制备上述复合结构光探测器的方法，包括以下步骤：步骤1.将制备好的石墨烯转移至基底上；步骤2.在石墨烯上制作电极；步骤3.在石墨烯上制备钙钛矿薄膜；作为一种改进，步骤3中制备钙钛矿薄膜的步骤为：步骤A.将甲基卤化物与卤化铅在丁内酯溶液中混合；步骤B.退火搅拌，得到钙钛矿溶液或者混晶钙钛矿溶液；步骤C.将步骤B中得到的钙钛矿溶液或者混晶钙钛矿溶液涂抹于步骤2中制备好的石墨烯上。作为一种改进，所述在石墨烯层上形成带电极的石墨烯条带。作为一种改进，在步骤3之后在钙钛矿层形成像素点阵。本专利技术的有益之处在于：具有上述结构的光探测器，可实现超快探测，并且集成度更高，具有微纳结构。附图说明图1为本专利技术的剖视结构示意图。图2为本专利技术的俯视图。图中标记：1钙钛矿材料层、2电极、3石墨烯层、4SiO2层、5基底。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细的说明。为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1、图2所示，本专利技术包括衬底5，所述衬底5上敷设有石墨烯层3，所述石墨烯层3上设置有电极2；还包括敷设在石墨烯层3上的钙钛矿材料层1。其中，石墨烯层3由二维石墨烯或者三维石墨烯墙制成。钙钛矿材料为甲基卤化物钙钛矿，并同时包括多种卤素元素的混晶；甲基卤化物化学式为CH3NH3PbX3，其中X为卤族元素Cl、Br、l中的一种或者几种。并且钙钛矿材料中甲基卤化物为CH3NH3Pb(ClxBrylz)3，其中x+y+z＝1。所述电极2为双层结构，其上层为40-200nm的Au层，下层为5-50nm的Cr层。所述基底5为P型硅掺杂硼，其上表面覆盖有SiO2层4。另外，本专利技术还提供一种制备上述石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器的方法。实施例1包括以下步骤：步骤1.将制备好的石墨烯转移至基底上；将PMMA旋涂至CVD石墨烯表面，用溶液刻蚀铜箔，将石墨烯转移至目标衬底硅片上。步骤2.在石墨烯上制作电极；通过磁控溅射法和蒸镀法在石墨烯镀上电极，底层为5nm Cr，顶层为40nm Au。然后通过光刻显影和刻蚀形成带电极结构的石墨烯条带。步骤3.在石墨烯上制备钙钛矿薄膜；该步骤又分为以下3个小步骤。步骤A将CH3NH3I和PbI2在丁内酯溶液中混合。步骤B在温度70℃下退火搅拌，得到钙钛矿溶液。步骤C将步骤B中得到的钙钛矿溶液旋涂于步骤2中制备好的石墨烯上。之后旋涂PMMA，采用电子束曝光技术，并气体刻蚀法去除多余钙钛矿，制备出独立的像素单元。实施例2包括以下步骤：步骤1.将制备好的石墨烯转移至基底上；CVD法生长石墨烯，湿法转移从铜箔上转移至硅片衬底上。步骤2.在石墨烯上制作电极；首先用气体刻蚀法将石墨烯薄膜刻蚀成规则条带；旋涂光刻胶，采用移动掩模曝光机，并显影形成金属电极沟道；蒸镀金属电极，Cr层厚度50nm，Au层厚度200nm，去除残余光刻胶；步骤3.在石墨烯上制备钙钛矿薄膜；该步骤又分为以下3个小步骤。步骤A配置CH3NH3I和PbI2、PbBr2在丁内酯溶液中混合，其中PbI2、PbBr2摩尔含量比例5∶1。步骤B在温度70℃下退火搅拌，得到混晶钙钛矿溶液，CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3；步骤C将步骤B中得到的钙钛矿溶液旋涂于步骤2中制备好的石墨烯上。之后旋涂PMMA，采用电子束曝光技术，并气体刻蚀法去除多余钙钛矿，制备出独立的像素单元。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利技术的保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯‑钙钛矿复合结构的光探测器，包括衬底，其特征在于：所述衬底上敷设有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有电极；还包括敷设在石墨烯层上的钙钛矿材料层。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，包括衬底，其特征在于：所述衬底上敷设有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有电极；还包括敷设在石墨烯层上的钙钛矿材料层。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，其特征在于：所述石墨烯层由二维石墨烯或者三维石墨烯墙制成。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，其特征在于：所述钙钛矿材料为甲基卤化物钙钛矿，并同时包括多种卤素元素的混晶；甲基卤化物化学式为CH3NH3PbX3，其中X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或者几种。4.根据权利要求3所述的一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，其特征在于：所述钙钛矿材料中甲基卤化物为CH3NH3Pb(ClxBryIz)3，其中x+y+z=1。5.根据权利要求1所述的一种石墨烯-钙钛矿复合结构的光探测器，其特征在于：所述电极为双层结构，其上层为40-200nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：周大华，张倪侦，申钧，冯双龙，杨俊，汤林龙，魏兴战，史浩飞，杜春雷，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50