具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法，该光电探测器包括石墨烯、极性电解质溶液、绝缘窗口和半导体，还包括金属正电极和金属背电极。本发明专利技术的光电探测器石墨烯与半导体的费米能极差，将设于其间的极性电解质溶液极化，电解质中的离子与水分子发生相互作用，在高能光子的激发下，石墨烯中会产生载流子倍增现象，大量的光生载流子漂移到固液界面，形成瞬间光极化电流，当光照稳定之后光极化电流趋于平稳，关闭光源的时候，会产生去极化电流。该紫外光电探测器结构简单、由于没有材料晶格匹配的限制，响应波长可以灵活选择、便于推广。便于推广。便于推广。

【技术实现步骤摘要】
具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种自驱动光极化电流响应的探测器，尤其涉及一种具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器，属于光电探测器领域。

技术介绍

[0002]光电探测器是一种可以接受光子并且转变为电信号的器件。自驱动光电探测器能够独立、无线和可持续地工作。在不加任何外置偏压的情况下，光材料吸收外部辐照产生光生电子和空穴，光生电子和空穴在异质结构的内建电场中分离，并在外电路产生信号电压和电流，从而实现对光的探测。
[0003]单层石墨烯自2004年被成功制备出来后受到广泛的关注，其独特的结构使其拥有良好的电学、光学、机械性质。如电子迁移率高达15000cm2V
‑1s
‑1，是硅的100倍。由于石墨烯无带隙和线性色散的特性，石墨烯中被光激发的高能单个热电子的弛豫过程以载流子
‑
载流子散射为主，伴随着载流子倍增效应产生多个电子。随着越来越多优异的性能被发现，石墨烯被应用在多种领域，其中石墨烯/半导体异质器件的研究受到广泛关注和长足发展。
[0004]水分子可以通过多种方式与电解质相互作用：改变偶极子方向，诱导电荷转移，以及扭曲整体和界面上的氢键网络。大量的实验和计算已经探测到在单个离子周围延伸到三个水合壳的短程扰动。此外，现有的PN结光电探测器的制备方法需要考虑晶格匹配等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以极性电解质溶液为介质的具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器及其制备方法。其是一种自驱动石墨烯/极性电解质溶液/半导体光致液体极化紫外光电探测器，该结构简单、由于没有晶格匹配的限制，可以任意组合半导体利用介质连接。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器，其特征在于，该光电探测器包括：石墨烯、绝缘窗口、极性电解质溶液和半导体，还包括分设于石墨烯和半导体上的金属正电极和金属背电极；所述绝缘窗口为由绝缘材料制成的窗口，设置于石墨烯和半导体之间，两端窗口分别与石墨烯和半导体绝缘密接，在绝缘窗口内注满极性电解质溶液。
[0008]进一步的，所述的金属正电极和金属背电极独立选自金、钛、铬、镍、银中的一种或者几种的复合电极，厚度为80
‑
200nm。
[0009]进一步的，所述的石墨烯独立选自单层和多层的一种。
[0010]进一步的，所述的半导体是半导体层，独立选自氮化镓、碳化硅和金刚石中的一种。
[0011]进一步的，所述的极性电解质溶液为水或任意有极性的盐溶液，如：氯化钠溶液、硫酸铜溶液和氯化钾溶液等。
[0012]制备上述的具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器的方法，包括：在洁净PET/石墨烯和半导体上分别制作电极，在半导体的空白区域利用绝缘材料制备形成窗口，窗口与半导体基底间绝缘密封，将极性电解质溶液注满所述窗口，将PET/石墨烯空白区域转移至所述窗口上，使其与极性电解质溶液接触。
[0013]本专利技术的光致液体极化紫外光电探测器，在紫外光辐射条件下，会产生三种类型的电流，分别是瞬态光极化电流、稳态光极化电流和去极化电流。当石墨烯和极性电解质溶液和半导体在接触之后，在费米能级差的作用下，极性电解质溶液中的极性分子被极化。电子会在半导体/极性电解质溶液界面处堆积，空穴会在石墨烯/极性电解质溶液界面处堆积，最终达到平衡。光照之后大量的光生空穴漂移到半导体/极性电解质溶液表面，大量光生电子漂移到石墨烯/极性电解质溶液表面，此时水分子极化方向会随着积累载流子的类型而改变，产生瞬态光极化电流。当光照稳定时，会持续存在稳态光极化电流。当光源关闭后，会产生去极化电流。相对于N型半导体/极性液体/P型半导体紫外光电探测器而言，本专利技术中利用石墨烯中热电子能转换为多个低能电子的优势，以及极性电解质溶液中电解质阴阳离子运动，均会增强电流输出，实现更高的瞬态极化电流和稳态极化电流，达到更好探测效果。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：
[0015]本专利技术的光致液体极化紫外光电探测器具有独特的物理内涵。石墨烯中显著的无带隙线性能带结构开辟了连接价带和导带新的载流子弛豫通道。反俄歇过程改变了载流子的数量，载流子倍增效应使得一个高能热电子变为多个低能电子，并导致石墨烯中光激发载流子的显著增加。极性电解质溶液与石墨烯和半导体体接触之后，由于费米能级和极性液体化学势的不同，夹层中极性液体分子极化，并在固液两相界面感应出相应的电荷。响应的电荷会促进电解质中阴阳离子的运动。在外部光源的辐照下，半导体被激发，大量的光生载流子聚集在极性液体的两侧并输出瞬态光极化电流，在界面处堆积的载流子类型决定了水分子极化的方向。在外部光源持续辐照下，更多的极性液体分子被聚集在两侧新的光生载流子极化，极性分子极化的过程会带动阴阳离子移动，产生稳定的光极化电流。本专利技术通过极性电解质液体作为介质，利用分子极化中的运动过程诱导离子移动加强光极化电流。本专利技术所展示的具有新颖机制的光电探测器器件结构和工艺流程简单、成本低，具有较高的耐用性。
附图说明
[0016]图1为基于石墨烯/极性电解质溶液/N型氮化镓异质器件的极化光电流响应光电探测器的结构示意图。
[0017]图2为基于石墨烯载流子倍增过程示意图。
[0018]图3为基于石墨烯/氯化钠溶液/N型氮化镓异质器件在接触之后静态平衡能带示意图。
[0019]图4为基于石墨烯/氯化钠溶液/N型氮化镓异质器件在受到光照之后载流子动力学示意图。
[0020]图5为基于石墨烯/水/N型氮化镓异质器件在350nm光源辐照下的时间电流曲线图；
[0021]图6为基于石墨烯/氯化钠溶液/N型氮化镓异质器件在350nm光源辐照下的时间电流曲线图；
[0022]图7为基于石墨烯/氯化钾溶液/N型氮化镓异质器件在350nm光源辐照下的时间电流曲线图；
具体实施方式
[0023]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]参照图1，为本专利技术的一种具体实例，该实例的自驱动石墨烯/极性电解质溶液/N型氮化镓光致液体极化紫外光电探测器结构如图1所示，自上而下依次为石墨烯2、金属正电极1、内部注满极性液体4的绝缘窗口3、半导体5和金属背电极6；光响应性能测试时光源从器件上方射入，所有实例中绝缘窗口的面积大小都是相同的。本专利技术自驱动石墨烯/极性电解质溶液/半导体的光致液体极化紫外光电探测器，利用极性液体的表面张力与石墨烯和半导体紧密连接。在费米能级差的作用下，极性分子会被极化。在光子的激发下，大量的光生空穴漂移到N型半导体/极性液体表面，大量的光生电子漂移到P型半导体/极性液体表面。极性液体分子受到固液界面载流子堆积的作用不断在有序极化，极化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器，其特征在于，该光电探测器包括：石墨烯(2)、绝缘窗口(3)、极性电解质溶液(4)和半导体(5)，还包括分设于石墨烯、半导体上的金属正电极(1)和金属背电极(6)；所述绝缘窗口(3)为由绝缘材料制成的窗口，设置于石墨烯(2)和半导体(2)之间，两端窗口分别与石墨烯和半导体密接，在绝缘窗口(3)内注满极性电解质溶液(4)。2.如权利要求1所述的具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器，其特征在于，所述的金属正电极(1)和金属背电极(6)独立选自金、钛、铬、镍、银中的一种或者几种的复合电极，厚度为80
‑
200nm。3.如权利要求1所述的具有高极化电流的光致液体极化紫外光电探测器，其特征在于，所述的石墨烯(2)为单层或者少层石墨烯。4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：林时胜，刘畅，陆阳华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：