一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于光探测器技术领域，具体涉及一种基于复合结构的石墨烯‑量子点双色光探测器及其制备方法。针对现有的石墨烯‑量子点混合光探测器由于量子点对光的吸收波段的限制，导致了一个探测器只能检测波长为较窄范围内的光的缺陷，本发明专利技术的技术方案是：由下至上由金属衬底、绝缘层Ⅰ、石墨烯Ⅰ、量子点Ⅰ、介质层、石墨烯Ⅱ、量子点Ⅱ和绝缘层Ⅱ共八层层状结构构成，所述量子点Ⅰ两侧分别设置有两个电极Ⅰ，两个电极Ⅰ分别作为源电极和漏电极；所述量子点Ⅱ两侧分别设置有两个电极Ⅱ，两个电极Ⅱ分别作为源电极和漏电极；所述量子点Ⅰ和量子点Ⅱ分别采用两种量子点材料制作。本发明专利技术适用于多色光检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器及其制备方法
本专利技术属于光探测器
，具体涉及一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器及其制备方法。
技术介绍
石墨烯(graphene)是由碳原子按六边形蜂窝状排列形成的单层二维平面晶体材料。自2004年英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，因其独特的结构和优异的机械、电学、热学及光学性能，其已逐渐成为研究的热点。它的原子层厚度仅有0.335nm，但它也同时是最坚硬的纳米材料。在室温就能观察到非常规的半整数量子霍尔效应。本征迁移率高达2×105cm2V-1s-1。石墨烯是一种半金属零带隙材料，可以通过破坏其对称性进行带隙调控。石墨烯在可见光区吸收率达2.3％，且与波长无关。石墨烯光探测器大致分为金属石墨烯接触式光探测器，等离子体共振型光探测器，量子点石墨烯混合光探测器，石墨烯异质结型光探测器等等。2009年，FengnianXia，ThomasMueller等人利用机械剥离的石墨烯做出了金属石墨烯接触式光探测器，也是第一个石墨烯光电探测器，它的出现引起了广泛的关注。不足是光响应只有0.5mA/W。2010年Echtermeyer研究了不同纳米结构对光电响应的影响，发现改变纳米结构尺寸可以调节不同波长的光吸收，从而基于石墨烯制备出等离子体共振型光探测器，可惜对光的吸收并不高。2012年，GerasimosKonstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，器件响应度很高，不过存在暗电流太大，响应速度慢，开关比低等缺点。石墨烯异质结对光有很好的响应度，而且是石墨烯本身对光的吸收，ChangOhKim团队于2013年做的石墨烯异质结实验表明，石墨烯异质结对600-1200nm波长的光有很强的吸收作用。石墨烯-量子点混合探测器的原理：量子点与石墨烯接触后，在接触区域界面处形成内建电场，此内建电场限制了量子点内光生电子空穴的复合，延长了其内部光生载流子寿命(τlifetime)，促进了光电导增益。另外，沟道宽度的减小和偏置电压的增加都会减小τtransit，也能得到更高的光电导增益。但是，更高的光电导增益会导致更长的响应时间。光电导增益原理：ΔI：光电流,η：光电转换效率,Popt：有效照射功率,τlifetime/τtransit：光电导增益系数。τlifetime：光照时，量子点内光生载流子的平均生存时间。G＝τlifetime/τtransit，表示单个光子入射时，在τlifetime时间内以一定运动速度(1/τtransit)由源极到达漏极的载流子数量。越长的τlifetime和越大的运动速度(1/τtransit)会得到更大的光电导增益。因此，量子点长的光生载流子寿命和石墨烯的高迁移率的两个优势使得器件能得到一个超高的光响应度。在种类繁多的量子点中，基于钙钛矿结构的量子点以其优异的发光性能，如发光效率高和发光谱线窄，受到了人们极大的关注。钙钛矿晶体具有ABX3(X＝Cl，Br，I)结构，通常属于正交、四方或立方晶系。如今在组分繁多的钙钛矿中，金属有机卤化物CH3NH3PbX3(X＝Cl，Br，I)由于其吸收光谱能够涵盖比较宽的太阳光谱，而且电子和空穴迁移率较高，发光波长可以通过多种不同的方式调控，可以被用于制备能量转换效率高达20％的太阳电池。据F.Zhang等人的报道，CH3NH3PbX3量子点的可见－紫外吸收峰位是505nm，PL发光峰位是515nm，峰的半高宽是21nm(约96meV)。相比于CH3NH3PbX3体材料的发光峰位545nm，量子点的发光峰位蓝移了约30nm(约131meV)，体现了量子限域效应；而且，CH3NH3PbX3量子点的发光峰的半高宽很窄，表明量子点尺寸分布单一性很好。L.Protesescu等人于2015年1月发表了合成全无机CsPbX3(X＝Cl，Br，I)量子点的文章，量子点在室温下也有强烈的荧光效应，并且发光峰较窄(半高宽为12～42nm)，荧光量子效率很高(最高可达90％)，荧光寿命短(辐射复合寿命为1～29ns)。通过调控卤素的种类和比例，而且对于确定组分的量子点，通过改变合成温度而调节量子点的粒径尺寸，都可以达到调控荧光波长的目的。上述两类钙钛矿薄膜及其量子点已经在太阳电池、发光二极管、光探测器及激光上有所应用。现有的石墨烯-量子点混合光探测器虽然器件响应度很高，实现了对微弱能量光子的探测，但是由于量子点对光的吸收波段的限制，导致了一个探测器只能检测波长为较小范围内的光。
技术实现思路
针对现有的石墨烯-量子点混合光探测器由于量子点对光的吸收波段的限制，导致了一个探测器只能检测波长为较窄范围内的光的缺陷，本专利技术提供一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，其目的在于：增加石墨烯-量子点混合光探测器的适用范围，使其能够对更加宽的波长范围内的光进行检测。本专利技术的另一目的是提供一种上述基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器的制备方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，由下至上包括绝缘层Ⅰ、石墨烯Ⅰ和量子点Ⅰ，所述量子点Ⅰ两侧分别设置有两个电极Ⅰ，所述量子点Ⅰ上还依次设置有介质层、石墨烯Ⅱ、量子点Ⅱ和绝缘层Ⅱ，所述量子点Ⅱ两侧分别设置有两个电极Ⅱ，所述量子点Ⅰ和量子点Ⅱ分别采用两种量子点材料制作。采用该技术方案后，石墨烯Ⅰ和量子点Ⅰ，以及石墨烯Ⅱ和量子点Ⅱ分别构成两组石墨烯-量子点混合光检测器。两组石墨烯-量子点混合光检测器由介质层隔开形成串联的层状结构，能够同时对光进行检测。量子点Ⅰ和量子点Ⅱ分别采用两种不同的量子点材料制作，使得两组石墨烯-量子点混合光检测器分别对两个不同的波段范围内的光具有很高的光响应度，这种设置使得光检测器能够对更加宽的波长范围内的光进行超高灵敏度探测，此结构为中远红外双色、多色高灵敏度探测器的实现提供了可靠保证。应当特别说明的是，当某种量子点材料对某种波长的光的响应低到一定的程度后，则由这种量子点材料制作的石墨烯-量子点混合光检测器就无法对该波长的光进行检测。而在本专利技术中，当选用的两种量子点材料都对某波长的光具有低于能够进行检测的响应程度的时候，通过两种量子点材料的叠加，采用本专利技术的光检测器的结构是可能实现对该波长的光进行检测的。也即是说，使用上述技术方案，能够检测到的光的波段范围，比所选用的两组石墨烯-量子点混合光检测器单独使用时检测到的光的波段的组合的范围更宽。优选的，绝缘层绝缘层Ⅰ下方还设置有用于施加栅极电压的金属衬底。采用该优选方案后，金属衬底、绝缘层Ⅰ、石墨烯Ⅰ和电极Ⅰ构成场效应晶体管结构，石墨烯Ⅰ的费米能级受到金属衬底上的栅极电压的影响，因而改变栅极电压能够调节石墨烯Ⅰ表面载流子浓度，进而能够实现降低器件的暗电流，提高器件的信噪比。此外，金属衬底、绝缘层Ⅰ和石墨烯Ⅰ作为微腔结构的谐振腔，光在绝缘层Ⅰ之间多次反射，大大提高了入射光的利用率。优选的，绝缘层Ⅰ、绝缘层Ⅱ和介质层的制作材料为SiO2、Si3N4、MnO2、MgO或Al2O3中的一种。优选的，绝缘层Ⅰ和绝缘层Ⅱ的厚度为100-1000nm，所述介质层的厚度为1-500nm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于复合结构的石墨烯‑量子点双色光探测器，由下至上包括绝缘层Ⅰ(2)、石墨烯Ⅰ(3)和量子点Ⅰ(5)，所述量子点Ⅰ(5)两侧分别设置有两个电极Ⅰ(4)，其特征在于：所述量子点Ⅰ(5)上还依次设置有介质层(6)、石墨烯Ⅱ(7)、量子点Ⅱ(9)和绝缘层Ⅱ(10)，所述量子点Ⅱ(9)两侧分别设置有两个电极Ⅱ(8)，所述量子点Ⅰ(5)和量子点Ⅱ(9)分别采用两种量子点材料制作。

【技术特征摘要】
1.一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，由下至上包括绝缘层Ⅰ(2)、石墨烯Ⅰ(3)和量子点Ⅰ(5)，所述量子点Ⅰ(5)两侧分别设置有两个电极Ⅰ(4)，其特征在于：所述量子点Ⅰ(5)上还依次设置有介质层(6)、石墨烯Ⅱ(7)、量子点Ⅱ(9)和绝缘层Ⅱ(10)，所述量子点Ⅱ(9)两侧分别设置有两个电极Ⅱ(8)，所述量子点Ⅰ(5)和量子点Ⅱ(9)分别采用两种量子点材料制作。2.按照权利要求1所述的一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，其特征在于：所述绝缘层绝缘层Ⅰ(2)下方还设置有用于施加栅极电压的金属衬底(1)。3.按照权利要求1所述的一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，其特征在于：所述绝缘层Ⅰ(2)、绝缘层Ⅱ(10)和介质层(6)的制作材料为SiO2、Si3N4、MnO2、MgO或Al2O3中的一种。4.按照权利要求1至3任一项所述的一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，其特征在于：所述绝缘层Ⅰ(2)和绝缘层Ⅱ(10)的厚度为100-1000nm，所述介质层(6)的厚度为1-500nm。5.按照权利要求1所述的一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，朱瑶瑶，潘锐，苟君，陈超，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51