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CN108565301B - 基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备方法 - Google Patents

基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备方法，属于传感器技术领域。本发明探测器包括：衬底，硒化铟纳米片，金纳米阵列和两个金属电极。本发明中所用的光敏感材料为硒化铟，目前硒化铟基光电探测器的工作范围大多集中在紫外波段，其响应度从可见光波段开始严重衰减，使其在长波段无法正常工作。针对此问题，本发明中采用金属表面等离子体共振诱导的方法提高了硒化铟光电探测器在可见光区的量子效率，进而实现了其在紫外‑可见‑近红外的宽谱范围内具有双波段的探测功能。此外，这种新型双波段探测器具有结构简单、尺寸小、易于耦合焦平面读出电路等特点，有益于下一代多功能、多变量检测光探测器的开发。

Description

基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备 方法
技术领域
本发明涉及一种基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器及制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
目前半导体光电探测器已经在军事和国民经济的诸多领域有着广泛的应用。例如，其在光成像，光通讯，遥感等技术中发挥了越来越大的作用。近年来，随着科学技术的不断发展和更新，人们对于光电探测器的要求越来越高，对于一些特殊功能光电探测器的需求愈加紧迫。例如天宫二号上最新研制成功的“天眼”，就是一种特殊的光电传感器，其“前向天眼”可以实现紫外-可见-近红外大气临边成像光谱的多波段探测功能。这也意味着光电传感器由单一功能、单一检测对象向多功能和多变量测试的发展成为了一种必然的趋势。目前，针对基于传统半导体材料的光电探测器，实现探测器在双波段或者多波段响应的手段主要有添加滤光片，构筑超晶格，量子阱结构和异质结复合材料等方法(Infrared,2006,27,35；Infrared,2006,27,44-48；Infrared Laser and Engineering,2009,38,211-255)。这些方法不仅需要极其复杂的生产工艺，同时对生产设备要求很高；此外，传统块体和薄膜半导体材料在实现器件微型化，轻便化方面也有所限制。
为了解决上述问题，随着材料领域的不断发展，二维半导体纳米材料因其具有超高的迁移率，柔性可弯曲，带隙可调等特点逐渐成为了研究人员关注的热点和青睐的对象(Materials Science&Technology,2017,25,1-7)。例如硒化铟半导体材料具有较高的迁移率，合适的带隙和较好的室温稳定性，成为了一种新型的光电探测器材料(AdvancedMaterial,2014,26,6587-6593)。然而由于硒化铟半导体材料自身光学特性的原因，虽然其在紫外光区具有较高的响应度，但是从可见光区开始其响应度衰减的非常严重，因此其在长波段的光探测功能并没有得到很好的开发和利用(Nano Letter,2014,14,2800–2806)。
综合以上分析认为：(1)使用传统块体半导体材料作为有效光吸收层时，由于其庞大的体积，无法实现器件的轻便化、微型化；(2)使用二维半导体材料作为有效光吸收层时，由于其厚度小，对入射光的吸收效率低，造成了器件的灵敏度和响应度很难再度提高；(3)由于硒化铟半导体自身光吸收特性的限制，基于硒化铟的探测器只能在较窄的紫外光谱范围内具有较高的响应，无法实现在较宽光谱范围的双波段或者多波段探测。针对以上问题，本发明在硒化铟半导体纳米材料中采用金属表面等离子共振诱导的方式实现了一种具有双波段光谱响应，高灵敏度，高响应度，小型化的光电探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属表面等离子共振选择性增强响应度的方法，最终获得具有高性能、小体积的双波段响应的光电探测器。
本发明的目的一是提供一种新型双波段响应的光电探测器如附图1所示，包括：衬底1、硒化铟半导体纳米片2、金纳米阵列3、金属电极4和金属电极5。
本发明的目的二是提供一种新型双波段响应的光电探测器的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，如附图2所示，包括如下步骤：
步骤一：衬底1的清洗，衬底1可以根据需要选自氧化硅片，云母，PET和聚酰亚胺，根据所选取的衬底，选取对应的清洗溶剂，包括硫酸和双氧水的混合溶液、乙醇、异丙醇、丙酮和去离子水等，超声20～40min,用氮气枪吹干，待用；
步骤二：在洁净的衬底1上制备得到少层的硒化铟半导体纳米片2，硒化铟半导体纳米片2的制备方法可以是机械剥离法，化学气相沉积，物理气相沉积和分子束外延等，厚度为20～50nm；
步骤三：利用自组装氧化硅小球薄膜作为掩膜版，制备得到金纳米阵列，金纳米阵列3在硒化铟半导体纳米片2上表面，厚度为20～30nm。其中，金纳米阵列呈密排六方排列，金纳米颗粒为类三角形，尺寸为80～150nm，并且可以根据需求通过调整二氧化硅小球的尺寸来调整；
步骤四：利用聚合物辅助的方法将金纳米阵列转移到硒化铟半导体纳米片上，具体方法为：在金纳米阵列表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，120～150℃干燥后，浸泡在浓度为10％～20％范围内的氢氟酸水溶液中，通过去除氧化硅片衬底上层的氧化层来实现金纳米阵列和衬底的分离，金纳米阵列和聚甲基丙烯酸甲酯薄膜悬浮于液面上，水洗至少3次后，转移到硒化铟半导体纳米片上，干燥后，用丙酮浸泡除去聚甲基丙烯酸甲酯，得到硒化铟半导体纳米片和金纳米阵列的复合结构；
步骤五：在硒化铟半导体纳米片两端分别制备金属电极，完成器件制备。金属电极4和金属电极5可以根据需要独立地选自Au、Ag、Al、In和Cu电极，厚度为20～50nm。其制备方法包括：热蒸发镀膜技术，电子束蒸镀技术和磁控溅射技术，金属电极4和金属电极5直接接触硒化铟半导体纳米片2，间距为3～10μm，。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用的光敏感材料为硒化铟，具有合适的直接光学带隙和高的迁移率。所制备的材料结晶质量高，为制备微型化、高性能的光电探测器提供了基础；
2、本发明应用了金纳米阵列的表面等离子效应，有效提高半导体材料对入射光的吸收效率，为制备高响应度的光电探测器提供了基础；
3、本发明应用了金纳米阵列的表面等离子效应，通过调整共振吸收峰的位置，实现在可见光区显著提高硒化铟光电探测器的响应度，达到双波段探测的目的，通过金属表面等离激元共振波长的调节，可进一步实现多波段探测的目的；
4、本发明制备工艺实施简单、可操作性好，工艺技术成熟、可重复性好，避免了复杂的光刻技术的使用，为半导体纳米材料为基础的自驱动光电子器件的制备提供了参考案例。
附图说明
图1为本发明基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的结构示意图。
图2为本发明金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的制备流程示意图。
图3为金纳米阵列的消光光谱图。
图4为基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的光谱响应图。
图1中的附图标记，1为衬底；2为硒化铟半导体纳米片；3为金纳米阵列；4为金属电极；5为金属电极。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例
首先选取氧化硅片作为衬底1，将衬底切割为1cm×1cm方形，先用H2SO4:H2O2＝3:1混合溶液，在85℃条件下清洗30min，然后用丙酮，异丙醇，乙醇和去离子水分别超声清洗10min，最后，用氮气吹干氧化硅片，待用(图2a)。
在氧化硅片衬底上，通过机械剥离的方法剥离得到硒化铟半导体纳米片2(图2b)。具体方法为：在思高胶带上放置少许块体硒化铟，胶带对折反复粘6～10次，然后将带有硒化铟的胶带粘在清洗后的氧化硅片衬底上，放置10小时后，将胶带撕下，在衬底上留下硒化铟纳米片2。
金纳米阵列3的制备，具体方法为：在水和空气的界面，利用二氧化硅小球自组装一层薄膜，选取一片氧化硅片在水面上捞取处二氧化硅小球薄膜，烘干后，放入热蒸发镀膜机的腔内，蒸镀一层20～50nm，更优选为25nm厚的金膜，取出后，用胶带把衬底上的氧化硅薄膜去除，在衬底上得到金纳米阵列3，金纳米阵列的尺寸为80～150nm，厚度为25nm，金纳米阵列的尺寸可通过二氧化硅小球的尺寸精确调控，厚度可以通过控制镀膜时间精确调控。
通过聚合物辅助方法把提前制备好的金纳米阵列3转移到带有硒化铟纳米片2的氧化硅片衬底1上(图2c)。具体方法为：在金纳米阵列表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，120～150℃干燥后，浸泡在浓度为10％～20％范围内的氢氟酸水溶液中，浸泡20～40s后，金纳米阵列和聚甲基丙烯酸甲酯薄膜悬浮于液面上，水洗5～10次后，转移到硒化铟半导体纳米片上，干燥后，用丙酮浸泡除去聚甲基丙烯酸甲酯，得到硒化铟半导体纳米片和金纳米阵列的复合结构。
制作金属电极，具体方法为：选取直径为8μm的碳纤维作为掩模板，放置在硒化铟纳米片的中间，裸露出两端，用热蒸发蒸镀金属电极4和金属电极5(图2d)，其中金属电极4和金属电极5均选为Au电极，厚度为30nm,两电极间距为5μm，完成器件的制备。
对比例
首先选取氧化硅片作为衬底1，将衬底切割为1cm×1cm方形，先用H2SO4:H2O2＝3:1混合溶液，在85℃条件下清洗30min，然后用丙酮，异丙醇，乙醇和去离子水分别超声清洗10min，最后，用氮气吹干氧化硅片，待用。
在氧化硅片衬底1上，通过机械剥离的方法剥离得到硒化铟半导体纳米片2。具体方法为：在思高胶带上放置少许块体硒化铟，胶带对折反复粘6～10次，然后将带有硒化铟的胶带粘在清洗后的氧化硅片衬底上，放置10小时后，将胶带撕下，在衬底上留下硒化铟纳米片2。
制作金属电极，具体方法为：选取直径为8μm的碳纤维作为掩模板，放置在硒化铟纳米片的中间，裸露出两端，用热蒸发蒸镀金属电极4和金属电极5(图2d)，其中金属电极4和金属电极5均选为Au电极，厚度为30nm,两电极间距为5μm，完成器件的制备。
本对比例除下述特征外，其他均与实施例1相同：在制备硒化铟纳米片2之后，制备金属电极4和5之前，略去金纳米阵列2的制备和转移步骤。
如图3所示，金纳米阵列的消光光谱图。从消光光谱图中可以看出，金纳米阵列在可见光区的664nm处和近红外光区的1080nm处有两个明显的消光峰。说明所制备的金纳米阵列在可见光和近红外光区都可以产生表面等离子共振，这为后续进一步应用于双波段响应光电探测器提供了基础。
如图4所示，为了测试基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的性能，将制备好的器件在紫外-可见-近红外光照射下，测试了其响应度(实施例1)。从测试结果可以看出，器件表现出非常好的光电探测能力。其中，在320～400nm和650～750nm两个波段内，其响应度均超过100mA/W。
如图4所示，为了进一步说明金纳米阵列可以有效实现双波段光电探测器，测试并比较了硒化铟光电探测器在没有金纳米阵列时的光谱响应(对比例)，从响应度增强比例光谱图中可以看出，在650～750nm范围内，响应度增强比例较大。
在650～750nm范围内，光电探测器的响应度增强比例最大值超过了1200％，这和金纳米阵列的消光光谱十分吻合，充分证明了金纳米粒子在诱导双波段响应的光电探测器方面发挥了根本作用。以上结果充分说明了本发明制备的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器具有优异的性能。同时为进一步发展新一代双波段光电探测器提供了新颖的思路，具有重要的参考价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如，通过金属表面等离子体共振峰位的进一步调节来实现的多波段探测器，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器，其特征在于，包括：衬底、硒化铟(InSe)半导体纳米片、金纳米阵列、两个金属电极；
其中，衬底提供支撑；两个金属电极的厚度为20～50nm，间距为3～10μm，两个金属电极直接接触硒化铟半导体纳米片的两端；硒化铟半导体纳米片厚度为20～50nm；金纳米阵列在硒化铟半导体纳米片的上表面，通过金属表面等离子共振诱导硒化铟光电探测器在可见光区有较高的响应和灵敏度。
2.根据权利要求1所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器，其特征在于，所述的衬底根据需求选自氧化硅片、云母、PET和聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器，其特征在于，所述的两个金属电极选自Au、Al、Ag、Cu和In电极。
4.根据权利要求1所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器，其特征在于，所述的金纳米阵列呈现密排六方排列，尺寸为80～150nm，厚度为20～30nm；其中金纳米阵列的尺寸通过掩模板的尺寸精确调控，厚度通过镀膜时间精确调控。
5.一种如权利要求1所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的制备方法，其特征在于，具体制备过程包括以下步骤：
①选取合适的衬底并清洗，其中氧化硅片的清洗过程为：利用浓度为75％的硫酸双氧水溶液在85℃下浸泡30min，分别用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水依次超声10min；最后用氮气吹干，待用；云母衬底不需要清洗；PET和聚酰亚胺衬底的清洗过程为：依次用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水各超声10min，用氮气吹干，待用；
②在清洁的衬底上制备硒化铟半导体纳米片；
③金纳米阵列的制备，另取一片氧化硅片衬底，利用自组装氧化硅小球薄膜作为掩模板，在衬底上制备一层金膜，用胶带去除二氧化硅薄膜后，得到金纳米阵列，金膜的制备方法包括：热蒸发镀膜技术、电子束蒸镀技术或磁控溅射技术；
④把金纳米阵列转移至硒化铟半导体纳米片表面，利用聚合物辅助的方法将金纳米阵列转移到硒化铟半导体纳米片上；
⑤在硒化铟半导体纳米片两端分别制备金属电极，两个金属电极选自Au、Al、Ag、Cu和In电极；电极的制备方法包括：热蒸发镀膜技术、电子束蒸镀技术或磁控溅射技术。
6.根据权利要求5所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的制备方法，其特征在于，硒化铟半导体纳米片的制备方法为机械剥离法、化学气相沉积法、物理气相沉积法或分子束外延法。
7.根据权利要求5所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的金纳米阵列在制备过程中采用热蒸发镀膜技术、电子束蒸镀技术或磁控溅射技术的一种。
8.根据权利要求5所述的基于金属表面等离子诱导双波段响应的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的两个金属电极的制备方法是热蒸发镀膜技术、电子束蒸镀技术或磁控溅射技术中的一种。
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