一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器及其制备方法，属于红外探测技术领域。本发明专利技术提供的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器包括红外探测器基体、源电极和漏电极和封装层；所述红外探测器基体包括依次层叠的聚酰亚胺衬底、栅电极层、栅氧化层和黑磷层；所述源电极和漏电极位于所述黑磷层表面；所述封装层位于所述红外探测器基体的黑磷层一侧、覆盖所述红外探测器基体且裸露出所述源电极和漏电极。在本发明专利技术中，聚酰亚胺衬底柔性高，热导率低，在红外光照射下衬底的温度升高，产生热效应增强了光子的散射，从而降低了载流子的迁移率，由此产生的负光电导降低了黑磷晶体管在开态时的电流，显著提高了红外探测器的光响应率。器的光响应率。器的光响应率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及红外探测
，特别涉及一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]红外探测器以及红外图像在光学成像、生物医疗传感、空间探测以及环境监测等领域具有广泛的应用。随着社会的发展，对于探测器性能提出了更高的要求，要求探测速度更快、探测波段更宽。二维材料因为其优异的光学、电学和机械性能而受到广泛的关注。基于石墨烯材料制备的发光二极管(LED)、超快激光、激光调制器以及太阳能电池等光学原型器件已被大量报道。然而石墨烯材料由于其本身零带隙的限制，因此器件的暗电流较大，产生较大的散粒噪声导致器件探测性能较差。二维材料过渡硫族金属化合物(TMDs)具有大的带隙和强的光吸收，然而其响应速度慢，不能工作在通讯波段(1550nm)，难以实现红外探测的要求。
[0003]研究发现黑磷(bP)是一种能从0.3eV(块体)～2.0eV(单层)可调直接带隙的材料，具有小的光电探测的噪声，可应用于可见光到红外光的探测领域。在室温条件下，bP制备的场效应晶体管(FETs)载流子迁移率达到1000cm2/(V
·
s)，电流调制能力达到105，具有较好的保持特性。
[0004]然而，以黑磷作为红外探测器的场效应晶体管，器件的光响应效率不佳，报道的黑磷响应度在4～150mA/W。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器及其制备方法，本专利技术提供的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器红外光照射下具有良好的光响应效率。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，包括红外探测器基体、源电极、漏电极和封装层；
[0008]所述红外探测器基体包括依次层叠的聚酰亚胺衬底、栅电极层、栅氧化层和黑磷层；
[0009]所述源电极和漏电极位于所述黑磷层表面；
[0010]所述封装层位于所述红外探测器基体的黑磷层一侧、覆盖所述红外探测器基体且裸露出所述源电极和漏电极。
[0011]优选的，所述黑磷层由黑磷纳米片组成，单片黑磷纳米片的片径为10～15μm，厚度为10～20nm。
[0012]优选的，所述栅电极层包括Ti层和Au层，所述Ti层与聚酰亚胺衬底接触；
[0013]所述栅氧化层的材质为Al2O3。
[0014]优选的，所述源电极和漏电极的材质为Au；所述封装层的材质为Al2O3。
[0015]优选的，所述聚酰亚胺衬底的厚度为8～10μm；
[0016]所述栅电极层的厚度为30～45nm；
[0017]所述栅氧化层的厚度为10～15nm；
[0018]所述黑磷层的厚度为10～20nm；
[0019]所述源电极和漏电极的厚度为30～50nm；
[0020]所述封装层的厚度为10～15nm。
[0021]本专利技术提供了上述基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0022](1)将液态聚酰亚胺加载至基底表面，加热成膜，于基底表面获得聚酰亚胺衬底；
[0023](2)在所述聚酰亚胺衬底表面蒸镀栅电极原料，于聚酰亚胺衬底表面获得栅电极层；
[0024](3)在所述栅电极层表面原子层沉积栅氧化层，于栅电极层表面获得栅氧化层；
[0025](4)在所述栅氧化层表面加载黑磷纳米片，在黑磷纳米片上加载光刻胶，于栅氧化层表面获得覆盖有光刻胶的黑磷层；
[0026](5)刻蚀光刻胶，在黑磷层表面裸露出源电极和漏电极窗口，在光刻胶和裸露窗口表面蒸镀源电极和漏电极层，剥离光刻胶，于黑磷层表面获得源电极和漏电极；
[0027](6)在所述红外探测器基体的黑磷层一侧原子层沉积封装层，原子层沉积时裸露出源电极和漏电极，于红外探测器基体表面获得封装层；
[0028](7)去除基底，得到基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器。
[0029]优选的，所述步骤(1)中液态聚酰亚胺加载至基底表面的方式为旋涂，所述旋涂的速率为2000～3000rpm，时间为60～90s；
[0030]所述加热成膜的温度为250～300℃，时间为5～10min。
[0031]优选的，所述步骤(2)和步骤(5)中蒸镀的温度独立为1200～1500℃，速率独立为所得蒸镀的真空度独立为6
×
10
‑7～1
×
10
‑6Torr。
[0032]优选的，步所述骤(3)和步骤(6)中原子层沉积的前驱体为三甲基铝和水，所述原子层沉积的温度为120～150℃，时间为90～120min。
[0033]优选的，所述刻蚀光刻胶的方式为电子束曝光；所述剥离光刻胶的方式为浸渍丙酮。
[0034]本专利技术提供了一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，包括红外探测器基体、源电极和漏电极和封装层；所述红外探测器基体包括依次层叠的聚酰亚胺衬底、栅电极层、栅氧化层和黑磷层；所述源电极和漏电极位于所述黑磷层表面；所述封装层位于所述红外探测器基体的黑磷层一侧、覆盖所述红外探测器基体且裸露出所述源电极和漏电极。在本专利技术中，聚酰亚胺(PI)衬底柔性高，热导率低，在红外光照射下衬底的温度升高，产生热效应增强了光子的散射，从而降低了载流子的迁移率，由此产生的负光电导降低了黑磷晶体管在开态时的电流，显著提高了红外探测器的光响应率。基于本专利技术结构的柔性红外探测器在近红外830nm波段室温下响应率最高可到53A/W，增益高达8000％。此外，本专利技术提供的柔性探测器具有良好的稳定性，在1000次的弯折实验中器件仍表现出较好的红外响应的性能。
附图说明
[0035]图1为基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器的结构示意图；
[0036]图2为基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器的制备流程示意图；
[0037]图3为实施例1所得探测器在暗态和不同强度光照下的转移特性曲线；
[0038]图4为实施例1所得探测器在暗态和不同强度光照下的输出特性曲线；
[0039]图5为实施例1所得探测器在不同弯折次数时探测性能的变化曲线；
[0040]图6为实施例1所得探测器在1000次弯折前后测试器件的暗态和光态电流；
[0041]图7为对比例1所得黑磷(bP)探测器在不同光强条件下的基于SiO2/Si衬底的探测器的响应率。
具体实施方式
[0042]本专利技术提供了一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，包括红外探测器基体、源电极、漏电极和封装层；
[0043]所述红外探测器基体包括依次层叠的聚酰亚胺衬底、栅电极层、栅氧化层和黑磷层；
[0044]所述源电极和漏电极位于所述黑磷层表面；
[0045]所述封装层位于所述红外探测器基体的黑磷层一侧、覆盖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，包括红外探测器基体、源电极、漏电极和封装层；所述红外探测器基体包括依次层叠的聚酰亚胺衬底、栅电极层、栅氧化层和黑磷层；所述源电极和漏电极位于所述黑磷层表面；所述封装层位于所述红外探测器基体的黑磷层一侧、覆盖所述红外探测器基体且裸露出所述源电极和漏电极。2.根据权利要求1所述的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，其特征在于，所述黑磷层由黑磷纳米片组成，单片黑磷纳米片的片径为10～15μm，厚度为10～20nm。3.根据权利要求1所述的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，其特征在于，所述栅电极层包括Ti层和Au层，所述Ti层与聚酰亚胺衬底接触；所述栅氧化层的材质为Al2O3。4.根据权利要求1所述的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，其特征在于，所述源电极和漏电极的材质为Au；所述封装层的材质为Al2O3。5.根据权利要求1或2所述的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器，其特征在于，所述聚酰亚胺衬底的厚度为8～10μm；所述栅电极层的厚度为30～45nm；所述栅氧化层的厚度为10～15nm；所述黑磷层的厚度为10～20nm；所述源电极和漏电极的厚度为30～50nm；所述封装层的厚度为10～15nm。6.权利要求1～5任意一项所述的基于光热效应的二维黑磷柔性红外探测器的制备方法，包括以下步骤：(1)将液态聚酰亚胺加载至基底表面，加热成膜，于基底表面获得聚酰亚胺衬底；(2)在所述聚酰亚胺衬底表面蒸镀栅电极原料，于聚酰亚胺衬底表面获得栅电极层；...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗金水，李唐鑫，胡伟达，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：