自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器以及該光探測(cè)器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光探測(cè)器是利用光與物質(zhì)的各種相互作用，把光能轉(zhuǎn)換為其他可感知量的各種器件。在傳統(tǒng)的光探測(cè)器中，使用的光探測(cè)器材料大都是寬帶隙的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，如氮化稼，氧化鋅納米線，二氧化錫納米線，硒化錫等，制備方法較為復(fù)雜，如化學(xué)氣相沉積、分子束外延、離子濺射等，能耗大、需要一些貴重的大型儀器設(shè)備，這導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。而近年來(lái)研究較為熱門的另一個(gè)方向有機(jī)半導(dǎo)體光探測(cè)器，雖然也為光探測(cè)器的發(fā)展提供了一個(gè)新思路，但是由于有機(jī)半導(dǎo)體的不穩(wěn)定性、電子遷移率低等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。
[0003]石墨烯是一種具有單層碳原子結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，自2004年首次用機(jī)械剝離法得到石墨烯以來(lái)，便立即引起了廣泛的注意。它具有優(yōu)異的電學(xué)性能，光學(xué)性能，熱學(xué)性能和力學(xué)性能，在室溫下高速的電子遷移率和較低的熱膨脹系數(shù)，對(duì)寬范圍的光譜具有吸收作用，這些性質(zhì)可以使石墨烯在某些應(yīng)用領(lǐng)域取代其他材料，石墨烯光探測(cè)器是目前光子器件研究領(lǐng)域非?；钴S的一部分。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光探測(cè)器會(huì)受限于光譜的檢測(cè)范圍，而基于石墨烯的光探測(cè)器可以檢測(cè)從紫外到紅外的寬范圍光譜，其器件體積小，可在任何襯底上制備，有望制備成柔性器件。
[0004]目前以石墨烯和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米材料的復(fù)合材料以及對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜來(lái)制備光探測(cè)器已有相關(guān)報(bào)道，其中一些取得了很好的效果，但是其材料合成方法及器件制備工藝流程較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，光探測(cè)器性能重復(fù)性差，需要外加電源提供電場(chǎng)，能耗比較聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器及其制備方法，該光探測(cè)器不需要外加電源即可實(shí)時(shí)檢測(cè)不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0007]一種自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器，包括:
[0008]襯底；
[0009]設(shè)置于所述襯底上的光敏材料層，所述光敏材料層與所述襯底之間形成p-n異質(zhì)結(jié)；其中，所述的光敏材料層的材料為還原氧化石墨烯；
[0010]與所述襯底連接的第一電極和與所述光敏材料層連接的第二電極。
[0011]優(yōu)選地，所述光敏材料層的厚度為Inm?50μηι。
[0012]優(yōu)選地，所述襯底的材料為硅、砷化鎵或氮化鎵。
[0013]優(yōu)選地，所述第一電極的材料為金屬材料或碳材料；所述第二電極的材料為金屬材料或碳材料。
[0014]本發(fā)明的另一方面是提供一種自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器的制備方法，包括步驟:
[0015]SlOl、提供一襯底；
[0016]S102、在所述襯底上涂覆或打印還原氧化石墨烯溶液，烘干所述還原氧化石墨烯溶液形成光敏材料層；
[0017]S103、在所述襯底上制備第一電極，在所述光敏材料層上制備第二電極。
[0018]優(yōu)選地，所述襯底的材料為硅、砷化鎵或氮化鎵。
[0019]優(yōu)選地,該方法還包括制備還原氧化石墨烯溶液的步驟,具體包括步驟:
[0020](a)用改進(jìn)的Hummers方法以石墨粉為原料制備獲得氧化石墨烯；
[0021](b)將氧化石墨烯的水溶液在30?120°C油浴條件下，用水合肼或氫碘酸或熱還原工藝進(jìn)行還原處理，制備獲得還原氧化石墨烯；
[0022](c)將還原氧化石墨烯分散于分散劑中獲得所述還原氧化石墨烯溶液。
[0023]優(yōu)選地，所述分散劑為1-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、十二烷基硫酸鈉水溶液、乙醇、乙二醇或曲拉通水溶液。
[0024]優(yōu)選地,還原氧化石墨烯溶液的濃度為0.001mg/mL?50mg/mL。
[0025]優(yōu)選地,所述光敏材料層的厚度為Inm?50 μ m。
[0026]優(yōu)選地，所述第一電極和第二電極通過(guò)蒸鍍工藝、打印工藝或?yàn)R射工藝制備獲得；所述第一電極的材料為金屬材料或碳材料；所述第二電極的材料為金屬材料或碳材料。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的光探測(cè)器，在光敏材料層與襯底之間形成p-n異質(zhì)結(jié)，對(duì)較寬光譜范圍的光具有吸收作用，可用于檢測(cè)寬范圍波長(zhǎng)的光，不需要外加電源即可實(shí)時(shí)檢測(cè)不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度；并且該光探測(cè)器結(jié)構(gòu)新穎，其制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，有利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測(cè)器的制備方法的工藝流程圖。
[0030]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測(cè)器在進(jìn)行光探測(cè)的示意圖。
[0031]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測(cè)器進(jìn)行光探測(cè)獲得的電流信號(hào)示意圖。
[0032]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
[0033]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
[0034]圖7是本發(fā)明實(shí)施例3提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
[0035]圖8是本發(fā)明實(shí)施例4提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
[0036]圖9是本發(fā)明實(shí)施例5提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
[0037]圖10是本發(fā)明實(shí)施例6提供的光探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面將結(jié)合附圖用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0039]如前所述，鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器，如圖1所示，該探測(cè)器包括:襯底I ;設(shè)置于所述襯底I上的光敏材料層2，所述光敏材料層2與所述襯底I之間形成P-n異質(zhì)結(jié)；其中，所述的光敏材料層2的材料為還原氧化石墨烯；與所述襯底I連接的第一電極3和與所述光敏材料層2連接的第二電極4。
[0040]如圖2所示，如上所述的自驅(qū)動(dòng)光探測(cè)器的制備方法包括步驟:
[0041]SlOl、提供襯底 I;
[0042]S102、在襯底I上涂覆或打印還原氧化石墨烯溶液，烘干還原氧化石墨烯溶液形成光敏材料層2 ；
[0043]S103、在所述襯底上I制備第一電極3，在光敏材料層2上制備第二電極4。
[0044]在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述襯底的材料為硅、砷化鎵或氮化鎵。
[0045]在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，還原氧化石墨烯溶液的濃度為0.001mg/mL?50mg/
mLo
[0046]在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，烘干所述還原氧化石墨烯溶液的溫度范圍是I?300°C，時(shí)間范圍為Is?36h ;所述光敏材料層的厚度為Inm?50 μ m。
[0047]在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述第一電極和第二電極通過(guò)蒸鍍工藝、打印工藝或?yàn)R射工藝制備獲得；所述第一電極的材料為金屬材料或碳材料；所述第二電極的材料為金屬材料或碳材料。
[0048]以上提供的光探測(cè)器在光敏材料層與襯底之間形成p-n異質(zhì)結(jié)，對(duì)較寬光譜范圍的光具有吸收作用，可用于檢測(cè)寬范圍波長(zhǎng)的光，不需要外加電源即可實(shí)時(shí)檢測(cè)不同波長(zhǎng)光的強(qiáng)度。
[0049]在本實(shí)施例中，該方法還包括制備還原氧化石墨烯溶液的步驟，具體包括步驟:
[0050](a)用改進(jìn)的Hummers方法以石墨粉為原料制備獲得氧化石墨烯。具體如下:將原石墨粉加入到80°C含有濃H2S04、K2S208和P2O5的混合溶液中，然后室溫反應(yīng)6h后，經(jīng)抽濾洗滌得到預(yù)氧化石墨烯。然后繼續(xù)用Hummers方法對(duì)與預(yù)氧化石墨烯進(jìn)一步氧化得到氧化石墨烯:將20g預(yù)氧化石墨烯加入到460mL冷的濃硫酸(0°C )中,攪拌的情況下緩慢加入60g高錳酸鉀(KMnO4),整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟在冰水浴的冷卻下進(jìn)行確保溫度不超過(guò)20°C ;加入920mL去離子水35°C下反應(yīng)2小時(shí)。然后加入2.8L去離子水和50mL30%的過(guò)氧化氫(H2O2)溶液以結(jié)束反應(yīng)。最后進(jìn)行抽濾并用1:10的鹽酸(HCl)溶液(5L)進(jìn)行洗滌，并用去離子水在超聲的情況下分散氧化石墨烯從而得到最終的氧化石墨烯溶液。
[0051](b)將氧化石墨烯的水溶液在30?120°C油浴條件下，用水合肼或氫碘酸或熱還原工藝進(jìn)行還原處理，制備獲得還原氧化石墨烯。本實(shí)施例中，在90°C油浴條件下采用水合肼對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，水合肼與氧化石墨烯的質(zhì)量比范圍為:0.001?10000:1，還原的溫度范圍為20?300°C，還原時(shí)間為Imin?60h?？梢酝ㄟ^(guò)控制水合肼與氧化石墨烯的質(zhì)量比來(lái)控制氧化石墨烯的還原程度。
[0052](c)將還原氧化石墨烯分散于分散劑中獲得所述還原氧化石墨烯溶液。分散劑用于分散還原氧化石墨烯，使還原氧化石墨烯在分散劑中分布均勻，保證后續(xù)操作中烘干襯底后，還原氧化石墨烯在襯底上分布均勻。分散劑可以采用如在1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、或二甲基甲酰胺(DMF)、或十二烷基硫酸鈉(SDS)水溶液、或乙醇、或乙二醇、或曲拉通水溶液。
[0053]前述的步驟SlOl中，需要對(duì)襯底的表面進(jìn)行清洗；例如，采用硅襯底時(shí)