一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法，该偏振光探测器以第一导电类型的二维纳米片沟道层结合第二导电类型的具有各向异性的二维纳米片偏振光敏化半导体层搭建异质结结构，设置第一电极和第二电极分别位于偏振光敏化半导体层的两端侧与纳米片沟道层的表面接触，不与偏振光敏化半导体层接触，实现了可见光至红外波长范围内低噪声、高灵敏的近红外探测；另外其沟道层和偏振光敏化半导体层采用机械剥离法获得，并采用PVA/PDMS辅助干法转移技术将其两层层叠获得器件结构，该制备过程简单，技术成熟，设备易得，成本低廉，非常有利于商业化推广。非常有利于商业化推广。非常有利于商业化推广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及偏振光探测
，尤其涉及一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]对于具有平面内各向异性晶体结构的二维(2D)材料，电子和能带结构表现出高度的取向依赖性，这导致了有效质量、光吸收和电输运的强烈各向异性，在这类材料中产生了线性二向色性的独特特征。线性二向色性使其成为角分辨光电子应用的有希望的平台，如偏振光谱成像、偏振光电探测器和光学雷达。过去，具有超表面结构的光学介质已被广泛用于控制光的相位和偏振,但是，其复杂而昂贵的制造工艺是进一步实际应用的限制因素。由于几何各向异性，一维(1D)纳米线或纳米带如ZnO、InP和Sb2S3也可以表现出线性二向色性效应和偏振光探测能力，但是较小的长宽比阻碍了二向色性比，限制了器件制造的多样性。
[0003]最近，由于其固有的面内各向异性特性，低对称二维材料已成为偏振相关光学和电学应用的研究热点。例如，具有褶皱蜂窝结构的黑磷(b
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P)在吸收、光致发光、载流子迁移率和热电传输等方面显示出明显的各向异性，从而实现了偏振敏感光电探测器和场效应晶体管等。受到黑磷各向异性特征的启发，来自同族V的黑砷(b
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As)也被报道表现出面内光学和电学各向异性，电子迁移率的二色性比为2.68。此外，硒化锗(GeSe)、砷化锗(GeAs)、低对称性过渡金属二硫属化物(TMD)，如Td
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WTe2,1T
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MoTe2,ReS2,ReSe2也已被确定为具有强线性二色性的各向异性材料系统。另一方面，具有六方晶体结构的石墨烯和2H
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TMD等高对称二维材料被认为是面内各向同性，但是缺乏偏振相关应用的潜力。
[0004]针对此类难题，本专利技术创造性的设计了一种新型的异质结结构材料体系，采用二维的纳米片沟道材料和具有各向异性的二维的纳米片偏振光敏化材料，进一步开发了通讯波段内稳定高效的偏振光探测器。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器及其制备方法。该偏振光探测器采用第一导电类型的二维纳米片沟道材料层，结合第二导电类型的二维纳米片偏振光敏化材料，搭建了异质结结构，促进了光激发电子
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空穴对的分离，同时引入了光栅效应，增大了光响应度和灵敏度，实现了高性能的偏振敏感光电探测器。另一方面，本专利技术通过机械剥离法获得二维纳米片材料薄层，结合PVA/PDMS辅助干法转移技术将二维纳米片偏振光敏化材料层转移至二维纳米片沟道材料层的表面，成功实现了该偏振光探测器的制备，该工艺方法过程简单、技术成熟、室温操作且成本低廉，非常有利于大规模制备和应用。
[0006]基于上述目的，本专利技术至少提供如下技术方案：
[0007]本专利技术的一方面提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器，包括：第一导电类型的二维纳米片沟道层；第二导电类型的各向异性的二维纳米片偏振光敏化半导体
层，位于所述纳米片沟道层的表面；第一电极和第二电极，分别位于所述偏振光敏化半导体层的两端侧，与所述纳米片沟道层的表面接触，不与所述偏振光敏化半导体层接触。
[0008]优选地，所述纳米片沟道层选用过渡金属硫属化物(TMDs)。
[0009]优选地，所述纳米片沟道层选用WSe2、WS2、MoS2或MoSe2。
[0010]优选地，所述偏振光敏化半导体层选用Bi2O2Se、1T
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MoTe2、ReSe2、ReS2、P、As、AsP、GeAs。
[0011]所述纳米片沟道层选用机械剥离法获得，所述纳米片沟道层的厚度为50～80nm。
[0012]所述偏振光敏化半导体层选用机械剥离法获得，所述偏振光敏化半导体层的厚度为20～50nm。
[0013]所述偏振光探测器的探测波长为可见光至红外范围。
[0014]优选地，所述纳米片沟道层选用WSe2；优选地，所述偏振光敏化半导体层选用Bi2O2Se。
[0015]优选地，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。
[0016]本专利技术的另一方面提供一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0017]通过机械剥离法将第一导电类型的纳米片沟道层材料和第二导电类型的各项异性的偏振光敏化半导体层材料分别转移至第一目标衬底和第二目标衬底；
[0018]在PDMS基底上旋涂PVA溶剂，在50～80℃下加热6～10分钟后获得PVA/PDMS薄膜基底，将PVA/PDMS薄膜基底的PVA一侧粘附至上述偏振光敏化半导体层材料的表面，在70～90℃下加热6～10分钟后，将偏振光敏化半导体层材料从第二目标衬底上分离获得基底/PDMS/PVA/偏振光敏化半导体层的第一叠层，将该第一叠层侧的偏振光敏化半导体层堆叠至第一目标衬底上的纳米沟道层材料的表面获得第二叠层，随后将该第二叠层浸泡在二甲基亚砜有机溶剂中去除PVA获得第一目标衬底/纳米沟道层材料/偏振光敏化半导体层材料的第三叠层；
[0019]在该第三叠层中的纳米沟道层材料的两端沉积金属层，退火后获得第一电极和第二电极，第一电极和第二电极不与偏振光敏化半导体层接触。
[0020]所述目标衬底选用SiO2/Si衬底，转移所述纳米片沟道层材料和所述偏振光敏化半导体层材料之前，还包括所述目标衬底用肥皂水、丙酮、异丙醇各超声1～30min；接着将所述目标衬底置于臭氧紫外或者氧气等离子体中清洗2～5min，氧气流量为30～60sccm，等离子功率为80～110W。
[0021]所述退火在惰性气氛中进行，退火温度为80～150℃，时间为0.5～2小时。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下优点：
[0023]1、本专利技术通过构建具有各向异性的二维多层偏振光敏化材料层和二维光载流子传输通道的异质结结构，得到了高性能、近红外波段偏振敏感光探测器。该偏振光探测器具有可见光至红外范围的宽波谱、光开关比可达104、快响应(20毫秒量级)、高灵敏(响应度达44A/W，探测率超过10
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琼斯，外量子效率达103％)，可广泛应用在光通讯、医疗成像等重要领域。
[0024]2、在制备工艺方面，本专利技术通过机械剥离法获得二维纳米片材料薄层，结合PVA/PDMS辅助干法转移技术将二维纳米片偏振光敏化材料层转移至二维纳米片沟道材料层的
表面，成功实现了该偏振光探测器的制备，该工艺方法过程简单、技术成熟、室温操作且成本低廉，非常有利于大规模制备和应用。
[0025]3、作为本专利技术的优选实施例，偏振光敏化材料选用Bi2O2Se，光载流子传输通道层选用WSe2时，该偏振光探测器的光电流显示出强烈的光偏振相关性，最大二色比为4.9，并且在405nm和635nm偏振光激发的角度相关光电流中观察到线性二色性的逆转。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于各向异性二维材料的偏振光探测器，其特征在于，包括：第一导电类型的二维纳米片沟道层；第二导电类型的各向异性的二维纳米片偏振光敏化半导体层，位于所述纳米片沟道层的表面；第一电极和第二电极，分别位于所述偏振光敏化半导体层的两端侧，与所述纳米片沟道层的表面接触，不与所述偏振光敏化半导体层接触。2.根据权利要求1的所述偏振光探测器，其特征在于，优选地，所述纳米片沟道层选用过渡金属硫属化物(TMDs)；优选地，所述纳米片沟道层选用WSe2、WS2、MoS2或MoSe2。3.根据权利要求1的所述偏振光探测器，其特征在于，所述偏振光敏化半导体层选用Bi2O2Se、1T
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MoTe2、ReSe2、ReS2、P、As、AsP、GeAs。4.根据权利要求1至3之一的所述偏振光探测器，其特征在于，所述纳米片沟道层选用机械剥离法获得，所述纳米片沟道层的厚度为50～80nm。5.根据权利要求1至3之一的所述偏振光探测器，其特征在于，所述偏振光敏化半导体层选用机械剥离法获得，所述偏振光敏化半导体层的厚度为20～50nm。6.根据权利要求1至3之一的所述偏振光探测器，其特征在于，优选地，所述纳米片沟道层选用WSe2；优选地，所述偏振光敏化半导体层选用Bi2O2Se。7.根据权利要求1至3之一的所述偏振光探测器，其特征在于，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。8.根据权利要求1至3之一的所述偏振光探测器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍能杰，黎思娜，李京波，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：