[发明专利]一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器及其制备方法

说明书

本发明属于光探测器技术领域，具体涉及一种基于复合结构的石墨烯‑量子点双色光探测器及其制备方法。针对现有的石墨烯‑量子点混合光探测器由于量子点对光的吸收波段的限制，导致了一个探测器只能检测波长为较窄范围内的光的缺陷，本发明的技术方案是：由下至上由金属衬底、绝缘层Ⅰ、石墨烯Ⅰ、量子点Ⅰ、介质层、石墨烯Ⅱ、量子点Ⅱ和绝缘层Ⅱ共八层层状结构构成，所述量子点Ⅰ两侧分别设置有两个电极Ⅰ，两个电极Ⅰ分别作为源电极和漏电极；所述量子点Ⅱ两侧分别设置有两个电极Ⅱ，两个电极Ⅱ分别作为源电极和漏电极；所述量子点Ⅰ和量子点Ⅱ分别采用两种量子点材料制作。本发明适用于多色光检测。

技术领域

本发明属于光探测器技术领域，具体涉及一种基于复合结构的石墨烯-量子点双色光探测器及其制备方法。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子按六边形蜂窝状排列形成的单层二维平面晶体材料。自2004年英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，因其独特的结构和优异的机械、电学、热学及光学性能，其已逐渐成为研究的热点。它的原子层厚度仅有0.335nm，但它也同时是最坚硬的纳米材料。在室温就能观察到非常规的半整数量子霍尔效应。本征迁移率高达2×10⁵cm²V^-1s^-1。石墨烯是一种半金属零带隙材料，可以通过破坏其对称性进行带隙调控。石墨烯在可见光区吸收率达2.3％，且与波长无关。

石墨烯光探测器大致分为金属石墨烯接触式光探测器，等离子体共振型光探测器，量子点石墨烯混合光探测器，石墨烯异质结型光探测器等等。2009年，Fengnian Xia，Thomas Mueller等人利用机械剥离的石墨烯做出了金属石墨烯接触式光探测器，也是第一个石墨烯光电探测器，它的出现引起了广泛的关注。不足是光响应只有0.5mA/W。2010年Echtermeyer研究了不同纳米结构对光电响应的影响，发现改变纳米结构尺寸可以调节不同波长的光吸收，从而基于石墨烯制备出等离子体共振型光探测器，可惜对光的吸收并不高。2012年，Gerasimos Konstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，器件响应度很高，不过存在暗电流太大，响应速度慢，开关比低等缺点。石墨烯异质结对光有很好的响应度，而且是石墨烯本身对光的吸收，Chang Oh Kim团队于2013年做的石墨烯异质结实验表明，石墨烯异质结对600-1200nm波长的光有很强的吸收作用。

石墨烯-量子点混合探测器的原理：量子点与石墨烯接触后，在接触区域界面处形成内建电场，此内建电场限制了量子点内光生电子空穴的复合，延长了其内部光生载流子寿命(τ_lifetime)，促进了光电导增益。另外，沟道宽度的减小和偏置电压的增加都会减小τ_transit，也能得到更高的光电导增益。但是，更高的光电导增益会导致更长的响应时间。光电导增益原理：

ΔI：光电流,η：光电转换效率,P_opt：有效照射功率,τ_lifetime/τ_transit：光电导增益系数。τ_lifetime：光照时，量子点内光生载流子的平均生存时间。G＝τ_lifetime/τ_transit，表示单个光子入射时，在τ_lifetime时间内以一定运动速度(1/τ_transit)由源极到达漏极的载流子数量。越长的τ_lifetime和越大的运动速度(1/τ_transit)会得到更大的光电导增益。因此，量子点长的光生载流子寿命和石墨烯的高迁移率的两个优势使得器件能得到一个超高的光响应度。