本發(fā)明涉及一種光探測(cè)器，尤其是一種石墨烯-鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器以及其制備方法。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種二維六角蜂窩狀材料，是目前世界上已知的最堅(jiān)硬的材料。石墨烯由于獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)(零帶隙)和超高的電子遷移率，吸收光譜范圍從紫外到遠(yuǎn)紅外，光吸收率為2.3％，使石墨烯有望成為新型半導(dǎo)體材料。由于石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)，光照后產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)皮秒級(jí)時(shí)間就被復(fù)合掉。因此可以采用石墨烯作為超快光電探測(cè)器材料，例如通過(guò)在石墨烯中建造p-n結(jié)，使得在一個(gè)超寬帶寬500GHz下提高光激載流子的時(shí)間1.5ps至4ps[Nature Nanotech.7，114(2012)]；或者與其他二維材料WS₂、MoS₂和石墨烯組成一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)都可以提高石墨烯光電探測(cè)器的效率。

然而，石墨烯較低的吸收截面，實(shí)際應(yīng)用中面臨單層石墨烯吸收率偏低的問(wèn)題，制約了單一石墨烯在光電器件上應(yīng)用，目前大多數(shù)石墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)率還限制在幾十mAW^-1量級(jí)[Nature Photon.7，888(2013)]。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種石墨烯-鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器及其制備方法，該光探測(cè)器其響應(yīng)率高。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種石墨烯-鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器，包括襯底，所述襯底上敷設(shè)有石墨烯層，所述石墨烯層上設(shè)置有電極；還包括敷設(shè)在石墨烯層上的鈣鈦礦材料層。將半導(dǎo)體量子點(diǎn)或其他2D材料復(fù)合到石墨烯層上形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，可以大大提高響應(yīng)率提高，如Graphene-PbS探測(cè)器響應(yīng)率達(dá)5×107AW^-1@600nm[Nature Nanotech.7，363(2012)]，Graphene-MoS₂探測(cè)響應(yīng)率高達(dá)5×108AW^-1@635nm，其低溫下響應(yīng)率最高達(dá)1×10¹⁰AW^-1[Nature Nanotech.8，826(2013)]，但因?yàn)楣馕瞻l(fā)生在量子點(diǎn)附近，所以犧牲了探測(cè)器的響應(yīng)波段。為滿足通訊波段1550nm波段的光電探測(cè)，研究人員提出了Graphene-Bi₂Te₃復(fù)合結(jié)構(gòu)[ACS Photonics 2，832(2015)]。其次，也可以將器件做成光學(xué)微腔或平面光子晶體腔的形式，來(lái)提高光子吸收率。射入的光子在微腔內(nèi)多次放射，提高石墨烯層的吸收，最高吸收率可達(dá)60％[Nano Lett.12，2773(2012)]。

作為一種優(yōu)選，所述石墨烯層由二維石墨烯或者三維石墨烯墻制成。

作為一種改進(jìn)，所述鈣鈦礦材料為甲基鹵化物鈣鈦礦，并同時(shí)包括多種鹵素元素的混晶；甲基鹵化物化學(xué)式為CH₃NH₃PbX₃，其中X為鹵族元素Cl、Br、I中的一種或者幾種。甲基鹵化物(CH₃NH₃PbX₃，X＝鹵族元素)鈣鈦礦具有良好的本征光電性質(zhì)，被用來(lái)作為光伏電池的光吸收材料。這個(gè)納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括直接帶隙，很高的光吸收系數(shù)，高載流子遷移率，使他們能夠更好的進(jìn)行光吸收。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了石墨烯寬波段吸收的特點(diǎn)和甲基鹵化物鈣鈦礦橫截面高光吸收，得到很大的光電流和超高的量子效率。石墨烯層中的電子轉(zhuǎn)移至最近的鈣鈦礦層，來(lái)填滿由光吸收導(dǎo)致的鈣鈦礦化學(xué)鍵中的空能級(jí)。所以，光激電子空穴對(duì)在鈣鈦礦中的復(fù)合時(shí)間被阻礙，使得光激電子在鈣鈦礦的導(dǎo)帶中而不能很快復(fù)合，從而提高響應(yīng)率。

作為一種改進(jìn)，所述鈣鈦礦材料中甲基鹵化物為CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_yI_z)₃，其中x+y+z＝1。

作為一種改進(jìn)，所述電極為雙層結(jié)構(gòu)，其上層為40-200nm的Au層，下層為5-50nm的Cr層。

作為一種改進(jìn)，所述基底為P型硅摻雜硼，其上表面覆蓋有SiO₂層。一種制備上述復(fù)合結(jié)構(gòu)光探測(cè)器的方法，包括以下步驟：

步驟1.將制備好的石墨烯轉(zhuǎn)移至基底上；

步驟2.在石墨烯上制作電極；

步驟3.在石墨烯上制備鈣鈦礦薄膜；

作為一種改進(jìn)，步驟3中制備鈣鈦礦薄膜的步驟為：

步驟A.將甲基鹵化物與鹵化鉛在丁內(nèi)酯溶液中混合；

步驟B.退火攪拌，得到鈣鈦礦溶液或者混晶鈣鈦礦溶液；

步驟C.將步驟B中得到的鈣鈦礦溶液或者混晶鈣鈦礦溶液涂抹于步驟2中制備好的石墨烯上。

作為一種改進(jìn)，所述在石墨烯層上形成帶電極的石墨烯條帶。

作為一種改進(jìn)，在步驟3之后在鈣鈦礦層形成像素點(diǎn)陣。

本發(fā)明的有益之處在于：具有上述結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)超快探測(cè)，并且集成度更高，具有微納結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的俯視圖。

圖中標(biāo)記：1鈣鈦礦材料層、2電極、3石墨烯層、4SiO₂層、5基底。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括襯底5，所述襯底5上敷設(shè)有石墨烯層3，所述石墨烯層3上設(shè)置有電極2；還包括敷設(shè)在石墨烯層3上的鈣鈦礦材料層1。其中，石墨烯層3由二維石墨烯或者三維石墨烯墻制成。鈣鈦礦材料為甲基鹵化物鈣鈦礦，并同時(shí)包括多種鹵素元素的混晶；甲基鹵化物化學(xué)式為CH₃NH₃PbX₃，其中X為鹵族元素Cl、Br、l中的一種或者幾種。并且鈣鈦礦材料中甲基鹵化物為CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_yl_z)₃，其中x+y+z＝1。所述電極2為雙層結(jié)構(gòu)，其上層為40-200nm的Au層，下層為5-50nm的Cr層。所述基底5為P型硅摻雜硼，其上表面覆蓋有SiO₂層4。

另外，本發(fā)明還提供一種制備上述石墨烯-鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器的方法。

實(shí)施例1包括以下步驟：

步驟1.將制備好的石墨烯轉(zhuǎn)移至基底上；將PMMA旋涂至CVD石墨烯表面，用溶液刻蝕銅箔，將石墨烯轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底硅片上。

步驟2.在石墨烯上制作電極；通過(guò)磁控濺射法和蒸鍍法在石墨烯鍍上電極，底層為5nm Cr，頂層為40nm Au。

然后通過(guò)光刻顯影和刻蝕形成帶電極結(jié)構(gòu)的石墨烯條帶。

步驟3.在石墨烯上制備鈣鈦礦薄膜；該步驟又分為以下3個(gè)小步驟。

步驟A將CH₃NH₃I和PbI₂在丁內(nèi)酯溶液中混合。

步驟B在溫度70℃下退火攪拌，得到鈣鈦礦溶液。

步驟C將步驟B中得到的鈣鈦礦溶液旋涂于步驟2中制備好的石墨烯上。

之后旋涂PMMA，采用電子束曝光技術(shù)，并氣體刻蝕法去除多余鈣鈦礦，制備出獨(dú)立的像素單元。

實(shí)施例2包括以下步驟：

步驟1.將制備好的石墨烯轉(zhuǎn)移至基底上；CVD法生長(zhǎng)石墨烯，濕法轉(zhuǎn)移從銅箔上轉(zhuǎn)移至硅片襯底上。

步驟2.在石墨烯上制作電極；首先用氣體刻蝕法將石墨烯薄膜刻蝕成規(guī)則條帶；旋涂光刻膠，采用移動(dòng)掩模曝光機(jī)，并顯影形成金屬電極溝道；蒸鍍金屬電極，Cr層厚度50nm，Au層厚度200nm，去除殘余光刻膠；

步驟3.在石墨烯上制備鈣鈦礦薄膜；該步驟又分為以下3個(gè)小步驟。

步驟A配置CH₃NH₃I和PbI₂、PbBr₂在丁內(nèi)酯溶液中混合，其中PbI₂、PbBr₂摩爾含量比例5∶1。

步驟B在溫度70℃下退火攪拌，得到混晶鈣鈦礦溶液，CH₃NH₃Pb(I_0.8Br_0.2)₃；

步驟C將步驟B中得到的鈣鈦礦溶液旋涂于步驟2中制備好的石墨烯上。

之后旋涂PMMA，采用電子束曝光技術(shù)，并氣體刻蝕法去除多余鈣鈦礦，制備出獨(dú)立的像素單元。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。