二维硫化铼光电探测器及制备方法与流程

1.本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种基于二维硫化铼光电探测器及制备方法。


背景技术：

2.二维过渡金属硫族化合物(tmds)因其拥有独特的电学和光学性能，受到科学界广泛的关注。由于tmds尺寸一般仅为几纳米，被认为延续摩尔定律的可行性方案之一。目前，许多研究证明其可应用于光电探测器、逻辑电路、传感器以及忆阻器等光电半导体功能器件。基于tmds光探测器作为基础性光电器件，也一度被人们广泛的研究。例如，机械剥离单层mos2光电晶体管,在电子耗尽区响应度达到880a/w；3层wse2超快光电探测器,响应度达到7a/w,响应速度更是达到惊人的10μs；bp光电晶体管在可见光到近红外光都具有较好的光电响应,最大响应度到4.8ma/w,响应时间约在1ms。
3.与大多数tmds具有很高的晶体对称性相比，rex2是扭曲的1t相结构,具有平面各向异性。正是这种特殊的结构,使得rex2具有各向异性的光学、电输运和力学性能，在电子器件和光电子器件具有新颖的应用前景。res2作为rex2的一种，被证明它的直接带隙不会受层数的影响，以及拥有各向异性。张等人采用reo3为前驱体合成了少层的res2纳米片，并制备了res2光电探测器,其对可见光表现出良好的光电响应，eqe值高达3168％，光电效率为16.14a/w。李等人研究了由cvd制备的单层res2膜的光电探测器，在0.05mw
·
cm-2
的照射强度下，该器件显示出高达106的高电流开光比和12a/w的优异光响应性。刘等人展示了在6pw的光功率下，几层res2光电探测器超高响应度达到88600a/w和外量子效率高达2
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107％。基于res2光探测器之所以拥有如此高的光响应度，很大程度上是因为res2本身存在大量的体缺陷产生很强的光栅压效应导致的。然而大量的缺陷态存在，会使res2光探测器的响应时间通常很慢(分钟级别)。所以，调控并优化光电导探测器的性能，在于权衡增益和响应时间相互影响，是否可以通过牺牲一小部分增益或者响应时间来换来另一部分极大地改善，或者通过寻找新调控方法和机制，在保证高响应度的情况下，得到快的响应时间。
4.故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，确有必要提供一种基于二维硫化铼光电探测器及制备方法，通过大分子f
4-tcnq对res2进行表面修饰，调控其性能，得到多种性能组合的res2光电探测器，包括高响应度和高灵敏的res2光电探测器。
6.一种二维硫化铼光电探测器，至少包括衬底层(1)以及在所述衬底层(1)形成的绝缘层(2)，所述绝缘层(2)上设置二维硫化铼层(4)，并设置与所述二维硫化铼层(4)相连接的电极(3)作为源极和漏极，所述二维硫化铼层(4)上通过掺杂形成四氰二甲基对苯醌层(5)。
7.作为进一步的改进方案，通过大分子f
4-tcnq对二维硫化铼层(4)进行表面掺杂形成四氰二甲基对苯醌层(5)。
8.作为进一步的改进方案，所述绝缘层(2)为sio2绝缘层，其厚度为300nm。
9.作为进一步的改进方案，所述衬底层(1)为硅衬底层，采用强p型si。
10.作为进一步的改进方案，所述电极(3)为金电极，采用100nm纯度为99.99％的au。
11.作为进一步的改进方案，所述二维硫化铼层(4)的厚度为0.7nm至5nm。
12.本发明还公开了一种二维硫化铼光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤s1：制备衬底层并在其上形成绝缘层；
14.步骤s2：采用机械剥离法获得不同层数的res2薄片并在绝缘层上形成二维硫化铼层；
15.步骤s3：通过电子蒸镀所制备电极并转移到二维硫化铼层两侧分别作为源极和漏极；
16.步骤s4：将上述步骤制备的器件在ar/n环境下加热；
17.步骤s5：将f
4-tcnq分子用异丙醇溶解并配置出不同浓度的掺杂剂，通过滴注法对二维硫化铼层进行表面掺杂形成四氰二甲基对苯醌层。
18.作为进一步的改进方案，在步骤s5中，掺杂剂采用低浓度0.1-0.5mmol/lf
4-tcnq、适中浓度0.5-1.0mmol/l f
4-tcnq或高浓度1.0mmol/l f4-tcnq中任一种。
19.作为进一步的改进方案，在步骤s4中，将上述步骤制得的器件经过200℃ar/n环境下加热1h。
20.作为进一步的改进方案，在步骤s1中，用玻璃刀划取合适大小的硅片后，按照顺序经过乙醇、丙酮、去离子水水超声5min，静置干燥得到衬底层。
21.与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：
22.1.通过不同浓度的f
4-tcnq进行表面掺杂，得到多种性能组合的res2光电探测器。
23.2.采用0.5-1.0mmol/l f
4-tcnq进行表面掺杂，可获得高响应度和高灵敏的res2光电探测器。
24.3.通过转移电子蒸镀所获得的100nm au电极方法制备电极，大大减少器件制备时间并降低成本。
附图说明
25.图1为本发明二维硫化铼光电探测器的结构示意图。其中：1.衬底层；2.绝缘层；3.电极；4.二维硫化铼层；5.四氰二甲基对苯醌层(f
4-tcnq)；
26.图2为本发明所制得的二维硫化铼光电探测器的光学图片；
27.图3为原始res2光探测器的输出曲线；
28.图4为掺杂前后的res2光探测器的转移曲线对比；
29.图5为掺杂前res2光探测器的开关特性；
30.图6为掺杂后res2光探测器的开关特性。
31.如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
光电探测器的响应度以及大大缩短响应时间，响应度比原始高一个数量级，响应时间能达到秒级别。用高浓度1.0mmol/lf4-tcnq，响应时间能快至毫秒级别，但响应度有所降低。说明控制掺杂浓度可以有效调控res2光电探测器的性能，得到多种性能组合的res2光电探测器，包括高响应度和高灵敏的res2光电探测器。
49.参见图4，所示为掺杂前后的res2光探测器的转移曲线对比，说明大分子f
4-tcnq的修饰，对res2进行了p型掺杂。对比掺杂前后的res2光探测器的开关特性(图5和图6)，能明显的看到，掺杂后的器件的响应度和响应时间等性能有很大的提升，同时掺杂后暗电流也大大下降。利用响应度的表达式：其中i
phiphiph
为光电流，p为入射激光功率。计算得到掺杂后的res2光电探测器的响应度为0.5a/w。响应时间为500ms。再由外量子效率和探测率的表达式：和计算得到其外量子效率能达到2.5％和10
10
jones。这证明在该掺杂浓度和特定的res2厚度下，能获得好性能的res2光电探测器。
50.本发明的有益效果在于通过转移电子蒸镀所获得的100nm au电极方法制备电极，大大减少器件制备时间并降低成本。另外，利用不同浓度的f
4-tcnq进行表面掺杂，可获得多种性能组合的res2光电探测器。优选0.5-1.0mmol/lf
4-tcnq进行表面掺杂，可获得高响应度和高灵敏的res2光电探测器。
51.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
52.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。