[发明专利]一种基于扭转双层石墨烯的光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于扭转双层石墨烯的光电探测器及其制备方法，属于光电检测领域。

背景技术

扭转双层石墨烯是存在层间扭转角的非AB堆垛双层石墨烯。与单层石墨烯及AB堆垛的双层石墨烯相比，扭转双层石墨烯具有新奇独特的电子能带结构。在E-k关系中，保留了单层石墨烯的狄拉克锥结构，但上下两层石墨烯的狄拉克锥相互耦合，使费米能级附近出现鞍点，并在态密度上形成范霍夫奇点。

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件。一般是基于光电导或光伏的转换机制。相比于传统的半导体光电，石墨烯的光电特性具有以下几个特点：1、超宽光谱范围内的光吸收与光响应，石墨烯在2μm波长附近保持了约2.3％的光吸收。目前在光通信领域普遍使用的是基于磷化铟(InP)的半导体材料，但当光波长延伸至2μm及更长时，需要研发新的探测器。另外在许多光谱仪与传感器中，红外波长的探测材料是碲镉汞(MCT)与III-V族量子阱(QWIPS)，但这两种材料工作在低温环境中，需要额外的制冷装置。相比这两种材料，石墨烯在常温下即可在此光谱范围内表现出光电响应，具有取代现有材料的基础。2、超快的响应速度。石墨烯光生电子的激发与复合过程的时间常数分别为10～150fs与150fs～1ps。电子迁移率达到200,000cm²V^-1S^-1，理论与实验证明，基于其的光电探测器可应用到光通讯中。3、具有应用于大规模集成电路的潜力。石墨烯可以转移至任意基底，包括硅(Si)基底，可兼容于硅工艺，因而具有可集成性。4、光电响应信号可被栅极调控。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于扭转双层石墨烯的光电探测器及其制备方法，本发明光电探测器件具有很高迁移率，对特定波长光具有高效的光电探测效率，相比于普通双层石墨烯光电探测器，光电响应平均增强6.6倍，且具有极低的暗电流，以及无需偏压、栅压提供额外能量的优点。

本发明所提供的基于扭转双层石墨烯的光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)在扭转双层石墨烯上涂覆光敏材料，然后在所述扭转双层石墨烯上刻蚀，并进行显影、定影，做出电极图案；

2)在经步骤1)处理的所述扭转双层石墨烯的所述电极图案上，蒸镀金属得到电极，即得到所述光电探测器。

上述的制备方法，所述扭转双层石墨烯的层间扭转角度为0～30°，具体可为0°、6°、10°、13°、16°和27°；

所述光敏材料为光刻胶或电子束抗蚀剂；

所述刻蚀采用光刻或电子束曝光做出。

本发明中，首先采用金相显微镜进行观测所述扭转双层石墨烯，然后用扫描电子显微镜对所述扭转双层石墨烯的两层石墨烯错开的角度进行标定，最后使用透射电子显微镜、拉曼光谱和纳米-角分辨光电子能谱进行表征确认所述扭转双层石墨烯的不同层间扭转角度的层间耦合行，在特定拉曼激发波长下，以G/2D峰比的增强作为判断标志，其所属G峰共振增强为G/2D增强10倍以上，判断所述扭转双层石墨烯可作为该波长光电探测器的原料。

本发明中，制备所述的光电探测器选取的扭转双层石墨烯面积大，在扭转双层石墨烯上涂覆光敏材料之后在扭转双层石墨烯上刻蚀，并进行显影、定影做出沟道，所述沟道的宽度可为5～500μm，将所述沟道用等离子体(氧等离子体、氩等离子体或空气等离子体)清洗，将扭转双层石墨烯划分出需要本发明中所需要的扭转双层石墨烯区域。

上述的制备方法，所述扭转双层石墨烯按照如下步骤制备：

1)在还原性气氛下对铜箔进行退火，然后再进行至少1次降温和升温处理的步骤，得到处理的铜箔；

2)在通入所述还原性气氛下通入碳源，在所述处理的铜箔上生长石墨烯，然后降低温度终止所述石墨烯的生长，即得到所述扭转双层石墨烯。

本发明在还原性气氛下处理铜箔，以还原所述铜箔表面的氧化物(氧化铜等)，使所述铜箔的铜晶畴的尺寸扩大。

上述的制备方法，所述碳源可为甲烷，所述还原性气氛的气体可为氢气；

所述生长的条件为：

温度可为1020～1040℃，压强可为1000～2000Pa，时间可为30～60min；

所述碳源与所述还原性气氛的气体的通入流量比可为1：400～800，具体可为1：500；

所述退火的条件为：

温度可为1020～1040℃，压强可为1000～2000Pa，时间可为20～60min，具体可为30min；

所述降温和升温的处理进行次数为3～5次，具体可为3次；