通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，属于二维半导体材料光学性能调制领域。本发明专利技术通过改变二维异质结中石墨烯的层厚，在超快激光的激发下，实现对半导体材料激子共振吸收的调制，所述二维异质结由不同层厚的石墨烯与厚度在几个分子(原子)层厚范围内的半导体化材料组成。本发明专利技术适用于二维尺度的半导体材料，利用石墨烯没有带隙且吸光光谱很宽的特性，用作光生载流子的聚集区，并通过改变石墨烯的层厚实现了调节二维半导体材料的激子共振吸收强度。本发明专利技术可以有效提高光电转化率，从而提升器件性能。从而提升器件性能。从而提升器件性能。

【技术实现步骤摘要】
通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法


[0001]本专利技术属于二维半导体材料光学性能调制领域，具体涉及一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，适用于以光伏器件和光探测器为代表的光电子器件领域。

技术介绍

[0002]自2004年石墨烯被成功剥离后，其优异的电学性能引起了人们的广泛关注，并展示了在众多领域中的应用前景。但是石墨烯缺乏逻辑电子器件和光电子器件所需要的能带，所以人们对二维(2D)半导体材料的兴趣扩展到其他层状材料，如过渡金属二卤族化合物(TMDs)。TMDs为层状材料，化学式为MX2，其中M为过渡金属原子(如Mo,W)，X为硫族原子(如S,Se,Te)。TMDs具有超薄的体结构和独特的厚度相关带隙，有望广泛应用于光电探测器和光伏器件等领域。
[0003]二维半导体材料的激子共振决定了其光电响应特性。讨论光和二维半导体材料的微观相互作用，离不开对激子的分析和讨论。二维半导体材料吸收光子，形成电子和空穴对，即激子。电子和空穴是空间同一点产生的带相反电荷的粒子，它们可以通过库仑力相互吸引。这种有吸引力的相互作用增加了电子空穴对形成的可能性，因此增加了光学跃迁率。此外，只要满足适当的条件，就可以形成束缚电子空穴对。
[0004]和二维半导体材料相比，室温下石墨烯的载流子输运速率高达104cm2V
‑1s
‑1，甚至比纳米碳管或者硅晶体高。同时，因为石墨烯没有带隙且吸光光谱很宽的原因，常常被用作载流子复合的区域或者电荷的聚集区。因此，在光激发的条件下，通过改变石墨烯的层厚可以有效改变与之形成异质结的二维半导体材料的介电环境，从而实现对二维半导体材料的激子共振吸收调制。目前缺乏通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，以解决目前缺乏通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，该方法包括如下步骤：
[0009]步骤一、二维纳米材料的制备：首先拾取适量的晶体材料，将导热胶带剪成两个长方形状，将晶体置于两片导热胶带粘性面之间，通过反复接触和分离两片胶带的机械剥离过程，在导热胶带的粘性面上出现大量的层状二维晶体材料；然后将导热胶带粘性面与聚二甲基硅氧烷PDMS接触，再将导热胶带缓慢揭开，一部分晶体转移到PDMS衬底上，实现样品的制备；其中，晶体材料为石墨晶体材料和二维硫化物体材料；
[0010]步骤二、二维纳米材料的转移及异质结的制备：取步骤一中带有石墨烯的PDMS衬底，将其放到显微镜下观察，将PDMS与硅衬底接触，再将PDMS缓慢揭开，从而将石墨烯转移到硅衬底上；接着，将骤一中带二维硫化物体材料的PDMS衬底，通过显微镜观察，覆盖在石墨烯样品之上，完成异质结的制备；
[0011]步骤三、引入脉冲激光，在石墨烯中注入光生载流子，用一束具有合适波长λ1的脉冲激光垂直入射至异质结表面；在仅激发石墨烯的条件下，石墨烯中的光生载流子将对单层二硫化钨产生屏蔽效应，同时随着石墨烯层数的增加，越来越多的光生载流子将会出现在二硫化钨中激子之间的电场线上，从而调节二硫化钨的激子共振吸收强度。
[0012]进一步地，所述步骤一中使用的晶体材料为二硫化钨晶体，是一种层状结构的半导体材料。
[0013]进一步地，所述步骤一中，在制备石墨烯的过程当中，在光学显微镜的观察下，通过光学对比度，找到不同层厚的石墨烯。
[0014]进一步地，PDMS为将有机硅弹性体套件中基底与愈合剂按照10:1的比例混合而成，使用前先用透明胶带撕去上面几层保证其表面洁净。
[0015]进一步地，所述步骤一中，当肉眼观察到晶体厚度变薄且均匀分布在胶带表面后，停止两片胶带的机械分离过程。
[0016]进一步地，所述异质结由不同层厚的石墨烯与厚度在几个分子或原子层厚范围内的二维硫化物体材料组成。
[0017]进一步地，所述步骤二中，二维半导体材料的转移在光学显微镜下进行，显微镜的载物台配有能够沿着X轴Y轴移动的位移台。
[0018]进一步地，所述步骤三中，λ1的光子能量小于半导体材料价带和导带之间的能量差，仅能激发石墨烯中的光生载流子；脉冲激光垂直入射至异质结表面。
[0019]进一步地，所述步骤三中，脉冲激光是功率为10微瓦的波长780纳米的脉冲激光。
[0020]进一步地，所述步骤三中，在超快激光的激发下，实现对半导体材料激子共振吸收的调制。
[0021](三)有益效果
[0022]本专利技术提出一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术为经过多次实验验证，总结出的一种行之有效的半导体激子共振吸收调制方法。适用于二维尺度的半导体材料，利用石墨烯没有带隙且吸光光谱很宽的特性，用作光生载流子的聚集区，并通过改变石墨烯的层厚实现了调节二维半导体材料的激子共振吸收强度。如此显著的激子共振吸收调制现象预示着，外界电荷的屏蔽效应对于以光伏器和光探测器为代表的光电子器件领域，尤其是对于具有栅极层状结构的集成光电子器件，可以有效提高光电转化率，从而提升器件性能。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的石墨烯示意图；(a)为PDMS衬底上单层、双层、六层石墨烯样品绿色通道下的光镜图；(b)在图像(a)中，沿着实线标记的位置的连续光学对比度；
[0025]图2为二硫化钨
‑
石墨烯异质结样品的光镜图；
[0026]图3为在泵浦光波长为780nm，探测光波长为623nm的条件下，二硫化钨
‑
石墨烯、二硫化钨
‑
双层石墨烯、二硫化钨
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六层石墨烯的差分反射信号(ΔR/R0)示意图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0028]基于上述问题，本专利技术意在设计一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法：
[0029]步骤一、二维纳米材料的制备：首先拾取适量的晶体材料，将导热胶带剪成两个长方形状，将晶体置于两片导热胶带粘性面之间，通过反复接触和分离两片胶带的机械剥离过程，在导热胶带的粘性面上发现大量的层状二维晶体材料。然后将导热胶带粘性面与聚二甲基硅氧烷PDMS接触，再将导热胶带缓慢揭开，一部分晶体转移到PDMS衬底上，实现样品的制备；其中，晶体材料为石墨晶体材料和二维硫化物体材料；
[0030]步骤二、二维纳米材料的转移及异质结的制备：取步骤一中带有石墨烯的PDMS衬底，将其放到显微镜下观察，将PDMS与硅衬底接触，再将PDMS缓慢本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、二维纳米材料的制备：首先拾取适量的晶体材料，将导热胶带剪成两个长方形状，将晶体置于两片导热胶带粘性面之间，通过反复接触和分离两片胶带的机械剥离过程，在导热胶带的粘性面上出现大量的层状二维晶体材料；然后将导热胶带粘性面与聚二甲基硅氧烷PDMS接触，再将导热胶带缓慢揭开，一部分晶体转移到PDMS衬底上，实现样品的制备；其中，晶体材料为石墨晶体材料和二维硫化物体材料；步骤二、二维纳米材料的转移及异质结的制备：取步骤一中带有石墨烯的PDMS衬底，将其放到显微镜下观察，将PDMS与硅衬底接触，再将PDMS缓慢揭开，从而将石墨烯转移到硅衬底上；接着，将骤一中带二维硫化物体材料的PDMS衬底，通过显微镜观察，覆盖在石墨烯样品之上，完成异质结的制备；步骤三、引入脉冲激光，在石墨烯中注入光生载流子，用一束具有合适波长λ1的脉冲激光垂直入射至异质结表面；在仅激发石墨烯的条件下，石墨烯中的光生载流子将对单层二硫化钨产生屏蔽效应，同时随着石墨烯层数的增加，越来越多的光生载流子将会出现在二硫化钨中激子之间的电场线上，从而调节二硫化钨的激子共振吸收强度。2.如权利要求1所述的通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，其特征在于，所述步骤一中使用的晶体材料为二硫化钨晶体，是一种层状结构的半导体材料。3.如权利要求2所述的通过石墨烯层厚调制二维半导体材料激子共振吸收的方法，其特征在于，所述步骤一中，在制备石墨烯的过程当中，在光学显微镜的观察下，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鹏，刘宴伶，任建新，高彤，王浩枫，
申请(专利权)人：北京计算机技术及应用研究所，
类型：发明
国别省市：