一种等离激元增强的MoSe2光电探测器及其制备方法和应用

一种等离激元增强的mose2光电探测器及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种等离激元增强的mose2光电探测器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光电探测器在许多领域均有至关重要的作用，例如：国防建设、工业生产、航空航天科技等，从成像到光电通信，依靠光电探测器将光辐射转换成标准电子器件处理的电信号。传统材料制备的光电探测器由于其带隙限制，只能对特定波段的光产生响应，限制了光电探测器的广泛应用。
3.二维层状过渡金属化合物具有类石墨烯的特殊结构，同时二维材料也具有许多优于石墨烯的物理特性，可用于制备新型光电探测器。现有层状二维材料主要有mos2、ws2、mose2、wse2等。与石墨烯相比，二维材料可通过控制层数来调节材料的带隙，这使其在光电探测器方面的应用具有了更大的优势。
4.现有技术(冯浩，坚佳莹，董芃凡等.二维mose2及其柔性光电探测器的制备与性能[j].精细化工,2021,38(9):6.)公开了一种二维mose2光电探测器，该探测器以有机尼龙膜作为衬底，金作为电极，具有较好的柔性，但由于二维mose2材料的原子尺度限制，该探测器存在光吸收能力弱的问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的首要目的是克服上述现有mose2光电探测器光吸收能力弱的问题，提供一种等离激元增强的mose2光电探测器。本发明所述等离激元增强的mose2光电探测器具有优异的光吸收能力。
[0006]
本发明的另一目的是提供上述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法。
[0007]
本发明的进一步目的是提供上述等离激元增强的mose2光电探测器的应用。
[0008]
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0009]
一种等离激元增强的mose2光电探测器，自下而上依次包括衬底、金属反射层、绝缘介质层、金属纳米粒子薄膜、mose2二维材料层和电极。
[0010]
在本发明中，金属反射层、绝缘介质层以及金属纳米粒子薄膜形成法布里-珀罗(f-p)谐振腔，法布里-珀罗(f-p)谐振腔与mose2二维材料层共同形成等离激元增强的光电探测器。
[0011]
本发明所述金属反射层、绝缘介质层以及金属纳米粒子薄膜形成的法布里-珀罗(f-p)谐振腔可使受激辐射的光波在其谐振腔体内维持来回振荡，提高光能密度，从而增强整个探测器的光吸收能力。
[0012]
本发明对绝缘介质层的材料和厚度没有特殊要求，选择本领域常规绝缘材料及厚度均可与衬底、金属反射层以及金属纳米粒子薄膜形成法布里-珀罗(f-p)谐振腔。
[0013]
但经多次试验，发明人发现绝缘介质层的厚度和种类会影响法布里-珀罗(f-p)谐
振腔导致的吸收，通过调节法布里-珀罗(f-p)谐振腔的吸收使吸收宽峰所处的波段覆盖mose2二维材料的探测波段(400～900nm)可进一步增强探测器对光的吸收能力。
[0014]
优选地，所述绝缘介质层材料为二氧化硅和/或氧化铝，绝缘介质层的厚度为200～300nm。
[0015]
更优选地，所述绝缘介质层材料为二氧化硅，绝缘介质层的厚度为240～280nm。
[0016]
更优选地，所述绝缘介质层材料为p型二氧化硅(折射率为1.46)，绝缘介质层的厚度为260nm。
[0017]
优选地，所述mose2二维材料层为单层mose2。使用单层mose2作为二维材料层，可减小暗电流。
[0018]
本发明对金属反射层的种类和厚度没有特殊要求，选择本领域常规金属及厚度即可。具体地，本发明所述金属反射层选自铝反射层、银反射层、金反射层、铂反射层中的一种或多种；所述金属反射层的厚度100～250nm。
[0019]
本领域常规金属纳米粒子薄膜均可用于本发明中。具体地，本发明所述金属纳米粒子薄膜选自金纳米粒子薄膜、银纳米粒子薄膜、铂纳米粒子薄膜、钯纳米粒子薄膜中的一种或多种；所述金属纳米粒子薄膜平均厚度为8～10nm。
[0020]
本发明对衬底的种类没有特殊要求，一般地，所述衬底为硅片和/或蓝宝石。
[0021]
本发明还提供所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0022]
s1.在所述衬底上沉积金属反射膜；
[0023]
s2.在所述金属反射层上覆盖绝缘介质层；
[0024]
s3.在所述绝缘介质层表面沉积金属纳米粒子，形成金属纳米粒子薄膜；
[0025]
s4.在所述金属纳米粒子薄膜表面覆盖mose2二维材料层；
[0026]
s5.通过微纳加工工艺在mose2二维材料层上制作电极，得到所述等离激元增强的mose2光电探测器。
[0027]
优选地，步骤s1中，所述沉积方法选自热蒸发法、电子束蒸发法、离子束辅助沉积法中的任意一种。
[0028]
优选地，步骤s3中，所述沉积方法为溅射沉积法。
[0029]
优选地，所述微纳加工工艺为紫外光刻、近场扫描、激光直写工艺中的任意一种。
[0030]
本发明所述等离激元增强的mose2光电探测器具有优异的光吸收能力，可用于制备光电器件。因此，所述等离激元增强的mose2光电探测器在制备光电器件中的应用也应该在本发明的保护范围内。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032]
本发明提供了一种等离激元增强的mose2光电探测器，所述等离激元增强的mose2光电探测器的金属反射层、绝缘介质层以及金属纳米粒子薄膜构成法布里-珀罗(f-p)谐振腔，可使受激辐射的光波在其谐振腔体内维持来回振荡，提高光能密度，从而提高光电探测器的光吸收能力，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0033]
图1为本发明所述光电探测器的结构示意图，其中1为衬底、2为金属反射层，3为绝缘介质层、4为金属纳米粒子薄膜、5为mose2二维材料层、6为电极。
[0034]
图2为本发明实施例1所述光电探测器的制备流程图。
[0035]
图3为本发明实施例1～5和对比例1所述光电探测器的光吸收对比图。
[0036]
图4为实施例1所述光电探测器绝缘介质层和mose2二维材料层之间的金纳米粒子薄膜的示意图。
具体实施方式
[0037]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制
[0038]
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
[0039]
实施例中的原料均可通过市售得到；
[0040]
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0041]
实施例1
[0042]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，如图1所示，自下而上依次包括蓝宝石衬底1、铝反射层2、二氧化硅绝缘介质层3、金纳米粒子薄膜4、单层mose2二维材料层5和电极6，其中蓝宝石衬底厚度为500μm，铝反射层2的厚度为150nm，折射率n1＝1.76，二氧化硅绝缘介质层的厚度为260nm，折射率n2＝1.46，金纳米粒子薄膜4平均厚度为8nm，单层mose2薄膜的厚度为0.7nm，入射光为400～800nm，单元探测面积为600nm x 600nm，电极为外置对称电极。在光场作用下金属纳米结构表面或内部自由电子的集体性振荡所产生的共振模式，即等离激元共振，具有局域电场增强效果；蓝宝石衬底，金属反射层与绝缘介质层共同形成法布里-珀罗(f-p)谐振腔结构，使辐射的光波在谐振腔体内维持来回振荡，提高光能密度，从而增强整个探测器的光吸收能力，进一步增强了等离激元的增强效果。
[0043]
如图2所示，上述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0044]
s1.在所述蓝宝石衬底1上沉积铝反射层2；
[0045]
具体地，在500μm厚的蓝宝石衬底1上通过电子束蒸发的方式沉积100～200nm厚的铝反射层2；
[0046]
s2.在所述铝反射层2上覆盖二氧化硅绝缘介质层3；
[0047]
具体地，在s1所获得的铝反射层2上旋涂pmma，通过pmma将铝薄膜2与二氧化硅绝缘介质层3紧密粘合、固化，其中二氧化硅绝缘层的厚度为260nm；
[0048]
s3.在所述绝缘介质层表面沉积金纳米粒子，形成金纳米粒子薄膜4；
[0049]
具体地，在所述二氧化硅绝缘介质层3表面通过溅射沉积法沉积金纳米粒子，形成平均厚度为8nm的金纳米粒子薄膜4，二氧化硅绝缘介质层3表面所述金纳米粒子薄膜4的示意图如图4所示；
[0050]
s4.在所述金纳米粒子薄膜4表面覆盖mose2二维材料层5；
[0051]
具体地，在所述金纳米粒子薄膜4表面覆盖厚度为0.6-0.9nm的单层mose2二维材料层5；
[0052]
s5.通过微纳加工工艺在mose2二维材料层上制作电极6，得到所述等离激元增强的mose2光电探测器；
[0053]
具体地，微纳加工工艺制作电极的流程为：在上述步骤构建的多层结构上旋涂az1500光刻胶，通过激光直写将电极图案转移至光刻胶上，通过显影液显影后，热蒸镀沉积10nm的铬层和100nm的金层，使用丙酮清洗去除表面剩余光刻胶，并用去离子水清洗。
[0054]
实施例2
[0055]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为200nm。
[0056]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为240nm。
[0059]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0060]
实施例4
[0061]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为280nm。
[0062]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0063]
实施例5
[0064]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为300nm。
[0065]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0066]
实施例6
[0067]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为210nm。
[0068]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0069]
实施例7
[0070]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为220nm。
[0071]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0072]
实施例8
[0073]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为230nm。
[0074]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0075]
实施例9
[0076]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为250nm。
[0077]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0078]
实施例10
[0079]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为270nm。
[0080]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0081]
实施例11
[0082]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例中二氧化硅绝缘介质层的厚度为290nm。
[0083]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0084]
实施例12
[0085]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用银反射层代替铝反射层。
[0086]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0087]
实施例13
[0088]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用金反射层代替铝反射层。
[0089]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0090]
实施例14
[0091]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用铂反射层代替铝反射层。
[0092]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0093]
实施例15
[0094]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用银纳米粒子薄膜代替金纳米粒子薄膜。
[0095]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0096]
实施例16
[0097]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用铂纳米粒子薄膜代替金纳米粒子薄膜。
[0098]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0099]
实施例17
[0100]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用钯纳米粒子薄膜代替金纳米粒子薄膜。
[0101]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0102]
实施例18
[0103]
本实施例提供一种等离激元增强的mose2光电探测器，与实施例1的区别在于，本实施例用氧化铝绝缘介质层代替二氧化硅绝缘介质层。
[0104]
本实施例所述等离激元增强的mose2光电探测器的制备方法与实施例1基本一致。
[0105]
对比例1
[0106]
本对比例提供一种二维mose2光电探测器，自下而上依次包括衬底，mose2薄膜以及电极。其中衬底为si/sio2，厚度为800μm，单层mose2薄膜的厚度为0.8nm，入射光为400～
800nm，单元探测面积为200μm2，电极为外置对称电极。
[0107]
本对比例所述二维mose2光电探测器的制备方法，步骤如下
[0108]
s1.在生长有mose2薄膜的蓝宝石衬底上旋涂pmma，于100℃下加热15分钟；
[0109]
s2.将附着pmma薄膜样品置于去离子水中浸泡3分钟，用镊子将带有mose2薄膜的pmma薄膜轻轻从蓝宝石衬底撕下；
[0110]
s3.利用显微镜以及转移平台使mose2薄膜与金电极贴合，在120℃温度保温30分钟，移去pdms完成mose2薄膜的定位转移，得到基于sio2/si衬底的单层mose2光电探测器。
[0111]
此外，需要说明的是，衬底的材料还可以采用硅片，金属反射层的厚度可以是100nm、200nm、250nm，而电极材料还可以采用银或钛。
[0112]
性能测试
[0113]
对实施例1～18和对比例1所述光电探测器的光吸收能力进行测试。测试方法如下：
[0114]
s1.打开紫外可见分光光度计，预热30分钟，使光源稳定。
[0115]
s2.在使用前，需要对仪器进行全面校正检定和校正测定波长。仪器波长的允许误差为：紫外光区
±
1nm，可见光区
±
2nm。
[0116]
s3.设置测量温度，一般实验在25℃以下进行。
[0117]
s4.在400～800nm波长范围内对测试器件进行扫描。
[0118]
实施例1～5和对比例1所述光电探测器的光吸收性能图如图3所示，从图3中可知，实施例1～5所述光电探测器的平均吸收率均高于对比例1所述光电探测器的平均吸收率。其中实施例1所述光电探测器在546nm处具有最大的光吸收率，与对比例1所述光电探测器相比，其吸收率提高了10倍以上。
[0119]
实施例6～18所述光电探测器的平均吸收率均高于对比例1所述光电探测器的平均吸收率，此处不再赘述。
[0120]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。