基于石墨烯/二硫化钨/钽镍硒晶体的异质结垂直器件、制备方法及应用

1.本发明涉及光探测技术领域，尤其涉及红外波段的探测器、其制备方法。


背景技术：

2.光电探测器通过根据器件对辐射响应的方式不同，把光信号转换为电信号，将光辐能量转换成电量来实现对光辐射的探测。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。
3.大多数二维过渡金属硫族化合物如mos2、rsse2、ws2等都具有带隙可调、强烈的光-物质相互作用、光吸收增强特性、优良的机械柔韧性、载流子密度和极性可调等特性。在庞大的二维过渡金属硫族化合物家族中，ta2nise5属于新材料一类不仅具有高的电子迁移率和相对小的单层0.36ev的带隙，让这种材料非常适合应用于可见光到中红外的宽光谱光电探测器，具有宽带光谱响应范围的光电探测器在光通信、医疗成像、环境监控、分析应用、气体传感和安全监控中发挥着重要作用。ta2nise5光电探测器的光电导效应。同时，实验表明它具有明显的各向异性。这些结果表明它可能在新的电子学和光电子学领域有潜在的应用。
4.将二维材料垂直堆叠在一起、形成的范德瓦尔斯异质结及其对应的光电子器件，也获得了人们大量的关注和研究。但目前大量开发的两种材料搭建的异质结，其受到导电沟道长，光生载流子转移路径长等限制，所制备的光电探测器的响应度比较低。比如公开号为cn113066888a的中国发明专利申请公开的一种基于in2s3纳米片阵列/si金字塔阵列异质结的自驱动光电探测器和公开号为cn112885922a的中国发明专利申请公开的基于ptse2与硅纳米柱阵列的光电探测器及其制备方法以实现可见光到近红外波段的探测功能和表现出良好的自驱动光探测性能，具有性能稳定等优点。其中普遍使用的是两层材料进行同质结的搭建，在性能上会存在一定的缺陷。


技术实现要素：

5.本技术针对ta2nise5材料进行了深入的研究，由于其本身带隙小的特性，作为顶层的吸光层会对远红外波段存在响应，鉴于此，本发明的目的一在于提供基于石墨烯/ws2/ta2nise5的异质结垂直器件，目的二在于提供上述异质结垂直器件的制备方法，目的三在于提供上述异质结垂直器件在光电探测设备中的应用。采用所述异质结垂直器件制备的光电探测器具有较高的光吸收率、响应度和光电转换效率。
6.本发明采用的具体方案为：
7.基于石墨烯/ws2/ta2nise5的异质结垂直器件，所述异质结垂直器件从下到上依次包括si/sio2衬底、石墨烯薄膜层、与石墨烯薄膜层直接接触的ws2薄膜层、与ws2薄膜层直接接触的ta2nise5薄膜层，两个电极分别在石墨烯薄膜层和ta2nise5薄膜层上；其中，石墨烯
薄膜层上的电极接源电极，ta2nise5薄膜层上的电极接漏电极。
8.作为对上述方案的进一步优化，所述石墨烯薄膜层的厚度为50～100nm，所述ws2薄膜层的厚度为20～40nm，所述ta2nise5薄膜层的厚度为100～200nm。
9.上述异质结垂直器件的制备方法，包括以下步骤：步骤一、采用机械剥离方法，将石墨烯、ws2和ta2nise5粘附在si/sio2衬底上；步骤二、采用pva干法将石墨烯、ws2和ta2nise5按照顺序转移到si/sio2衬底上，制得具有垂直排列的垂直异质结结构石墨烯-ws
2-ta2nise5；步骤三、通过光刻和显影，制成电极图案；步骤四、在步骤三所述电极图案掩膜上蒸镀金属，形成源电极和漏电极，在所述源电极和漏电极之间为沟道区；步骤五、高温退火，得到异质结垂直器件。
10.步骤四中，所述源电极和漏电极采用的金属均选自au、cu、ni、ti、cr和ag中的一种或两种。更优选为au、ni/au或ti/au。
11.步骤五中，所述退火温度优选为100℃～300℃，更优选为200℃～300℃。
12.步骤五中，所述退火优选在氮气(n2)或氩气(ar)的气体氛围下进行。
13.上述异质结垂直器件在光电探测设备中的应用。
14.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
15.(1)本发明所述异质结垂直器件在导电衬底上从下到上依次设置石墨烯层(底层)、ws2层(中间层)和ta2nise5层(顶层)，其中，底层材料石墨烯与顶层材料ta2nise5不直接接触。顶层材料ta2nise5用于吸收光生载流子，底层石墨烯由于其超高的载流子迁移率可以快速萃取光生载流子。
16.(2)底层材料石墨烯与顶层材料ta2nise5不直接接触，而中间层材料ws2与顶层和底层材料直接接触的重叠位置，形成垂直的导电沟道，会大大缩短耗光生载流子的移动距离。
17.(3)顶层材料ta2nise5与中间层ws2通过范德华力结合，形成异质结；ws2为n型半导体和ta2nise5接触后，由于电子和空穴的浓度差，载流子发生扩散运动，界面处形成空间电荷耗尽区，出现了内建电场；石墨烯与ws2通过范德华力结合，形成欧姆接触；载流子的扩散运动方向和内建电场产生的漂移运动方向相反，最终两种载流子的浓度会达到一个热平衡；载流子的扩散运动方向和内建电场产生的漂移运动方向相反，最终两种载流子的浓度会达到一个热平衡；光生载流子会被内建电场分离，分别被石墨烯上电极及其ta2nise5上金属电极导至外部电路产生电信号。
18.(4)光电探测器采用垂直入射方式，即入射光的入射方向从顶层的ta2nise5经过中间层的ws2再到底层的石墨烯整体呈现垂直结构异质结。
19.(5)本发明通过对光电探测器吸光层优化，提高了光电探测器对远红外波段的响应与吸收。
附图说明
20.图1是本发明实施例1提供的一种石墨烯/ws2/ta2nise5垂直器件的截面结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的石墨烯/ws2/ta2nise5垂直器件及金属电极实物图；图3是本发明实施例1提供的石墨烯/ws2/ta2nise5垂直器件的405nm激光照射下的i-v特性曲线；图4是本发明实施例1提供的石墨烯/ws2/ta2nise5垂直器件不同波长激光照射下的i-t特性曲线；图5是本发明实施例1提供的石墨烯/ws2/ta2nise5垂直器件的光谱响应图；图6是本发明实施例1提供的ws2和ta2nise5的raman图。
具体实施方式
21.本发明通过pva干法转移、光刻镀金、氮气退火处理等方法，提高光电探测器的性能。即通过pva干法转移先在si/sio2基底上进行三层材料异质结的搭建，然后利用光刻镀金、氮气退火处理的方法在制备钛金电极，以获得具有优异性能的自驱动光电探测垂直器件。
22.基于石墨烯/ws2/ta2nise5的垂直器件的制备方法：1)选好石墨烯、ws2、ta2nise5单晶材料，在导电衬底上机械剥离出石墨烯、ws2、ta2nise5；2)通过pva干法转移，将石墨烯、ws2、ta2nise5按照顺序依次转移到导电衬底上，搭建好双层同质结；其中，在导电衬底上从下到上依次形成第一个二维材料层(石墨烯)、第二个二维材料层(ws2)和第三个二维材料层(ta2nise5)。3)通过光刻和显影，在所述衬底上制成电极图案；4)在所述电极图案掩膜上蒸镀金属，然后去除掉所述衬底上的光刻胶，在其两端分别形成源电极和漏电极，在所述源电极和漏电极之间为沟道区；5)将第一个二维材料(石墨烯)设置到所述源电极，将第三个二维材料(ta2nise5)设置到所述漏电极，再进行退火，使所述第一个二维材料层、第三个二维材料层和源电极及漏电极形成欧姆接触，得到整体垂直器件。
23.优选地，所述导电衬底选自硅衬底。
24.优选地，所述第一个二维材料层选自石墨烯，第二个二维材料层的材质选自mos2、ws2、mose2、wse2、mote2。
25.优选地，所述源电极和漏电极所采用的金属均选自au、cu、ni、ti、cr和ag中的一种或两种。
26.为了更加直观详尽地说明本发明，下面结合附图提供以下具体的实施例，但本发明的实施方式及保护范围不限于此。
27.实施例1
28.基于二维材料石墨烯/ws2/ta2nise5的垂直器件的制备方法，具体包括以下步骤：
29.(1)利用机械剥离方法，在si/sio2基底1上制备石墨烯薄膜层6、ws2薄膜层2、ta2nise5薄膜层3，其中采用机械剥离法将石墨烯、ws2用胶带直接剥离在si/sio2衬底上，而ta2nise5用聚二甲基硅氧烷(pdms)将其转移到si/sio2衬底上。该步骤中，采用机械剥离法在si/sio2表面得到石墨烯、ws2以及ta2nise5的厚度分别为50～100nm、20～40nm、100～200nm。
30.(2)通过pva干法转移将石墨烯、ws2、ta2nise5三种材料按照顺序依次转移到si/sio2基底上，其中底层材料为石墨烯，中间层材料为ws2，顶层材料为ta2nise5。该步骤中干法转移制得具有垂直排列的垂直异质结结构石墨烯-ws
2-ta2nise5，其中pva的制备是将4g pva颗粒与21ml去离子水搅拌融合整体制成粘稠液体。
31.(3)通过光刻胶旋涂、光刻机光刻将电极光刻在底层材料与顶层材料上，电极图案掩膜上蒸镀金属，然后去除掉所述绝缘介质层上的光刻胶，在其两端分别形成源电极5和漏电极4。
32.(4)通过热蒸镀方法为电极蒸镀金属，所采用的金属优选自au、cu、ni、ti、cr和ag中的一种或两种，更优选为au、ni/au或ti/au。本发明中用光刻和蒸镀金属技术制作源、漏电极和沟道区；在本实施例中，所述源电极和漏电极均为ti/au电极；其中，ti层与绝缘介质层相接触，厚度可为1nm～50nm，如30nm；au层的厚度可为10nm～100nm，如70nm。
33.(5)电极图案掩膜上蒸镀金属，然后去除掉所述绝缘介质层上的光刻胶，在其两端分别形成源电极5和漏电极4，在源电极和漏电极之间为沟道区。
34.(6)用丙酮溶液去掉多余的钛金。
35.(7)用氮气退火，其中高温退火所述退火的温度优选为100℃～300℃，更优选为200℃～300℃；所述退火优选在氮气(n2)或氩气(ar)的气体氛围下进行，处理器件，得到的器件与源漏电极形成欧姆接触，而材料之间形成同质结。
36.制备的异质结垂直器件的截面结构如图1所示。
37.在所述垂直器件正极上施加0.5v的偏压，所述垂直器件发射覆盖白光到中红外区域的超宽光谱。测试其性能，测试结果为：器件光学照片和光谱图如图2、5所示，光谱范围从400-2300nm，完整覆盖了可见光区域，峰值波长在650nm附近。
38.将所述垂直器件正负极连接到电流探测器上，设置偏压0.5v，在400-2300nm范围内的光照条件下，所述该垂直器件可作为光电探测器件使用。测试其性能，测试结果为：该器件具有较宽的光谱响应特性。在测试中使用半导体激光光源照射样品，然后测试光电流的变化情况，发现从紫外到红外光照射都具有光电流。
39.将所述垂直器件正负极连接到电流探测器上，设置偏压0v，在400-2300nm范围内的光照条件下，所述该垂直器件可作为光电探测器件使用。测试其性能，测试i-v曲线结果：在0v时加光照射使得电流增加。
40.本发明垂直器件可同时实现自驱动特性和光探测特性，器件性能好，光发射范围广，可覆盖紫外到中红外波段。
41.需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。