石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器及其制備方法，其是在絕緣襯底上表面覆蓋有碳納米管薄膜，碳納米管薄膜的一端設(shè)置有與碳納米管薄膜呈歐姆接觸的銀電極，另一端設(shè)置有與碳納米管薄膜呈肖特基接觸的石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上設(shè)置有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的第二銀電極。本發(fā)明中的光電探測器既利用了碳納米管寬光譜吸收的特性，又結(jié)合了石墨烯高透光率、低電阻率等優(yōu)良特性，實現(xiàn)了對300?1050nm光的探測，并且具有很高的響應(yīng)度和響應(yīng)速度；本發(fā)明制備方法簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，可制備寬光譜、高探測率、響應(yīng)速度快的光電探測器，為全碳結(jié)構(gòu)光電探測的應(yīng)用開拓了新的前景。
【專利說明】
石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電探測領(lǐng)域，具體涉及石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]電磁波，是由同相且相互垂直的電場和磁場在空間中衍射發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。人眼可見的光是波長在390-760nm范圍的電磁波，一般光電探測的范圍是紫外-可見-近紅外波段，光電探測器的原理是由輻射引起的被照射材料電導(dǎo)率發(fā)生改變，光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途，如在紫外波段主要用于光通訊、探傷和光學(xué)儀器等方面，在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、廣度計量等，在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。
[0003]光電探測從工作機(jī)制上可分為光子效應(yīng)探測器和熱輻射探測器。光子效應(yīng)是利用光子與電子的直接相互作用，激發(fā)光的波長需要和半導(dǎo)體帶隙相匹配，由于粒子間的作用時間很短，其響應(yīng)速度一般比較快。另一種熱輻射探測器是基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高，從而改變了它的電學(xué)性能，其區(qū)別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。光電探測從是否需要外界能量驅(qū)動工作可分為光電導(dǎo)型和光伏型，光電導(dǎo)一般是單純利用半導(dǎo)體的光敏特性制成的器件，而光伏型則是利用內(nèi)光電效應(yīng)也即光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓驅(qū)動自身工作的器件。光電探測器的主要參數(shù)有響應(yīng)度、探測率、光譜響應(yīng)、頻率響應(yīng)、量子效率、噪聲等效功率等等。
[0004]碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約〇.34nm，直徑一般為2? 20nm。根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。根據(jù)碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)可以將其分為金屬型碳納米管和半導(dǎo)體型碳納米管:當(dāng)n-m = 3k(k為整數(shù))時(n、m代表手性指數(shù))，碳納米管為金屬型；當(dāng)n-m = 3k±l時，碳納米管為半導(dǎo)體型。 碳納米管作為一維納米材料，重量輕、六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。在電學(xué)方面，半導(dǎo)體單壁碳納米管具有超高電子迀移率，單根半導(dǎo)體單壁碳納米管作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管(FET)，其性能指標(biāo)已經(jīng)在多方面超過傳統(tǒng)硅基器件。此夕卜，碳納米管還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械延展性，具有很好的構(gòu)建柔性電子器件、全碳電路的潛力。在光學(xué)特性方面，碳納米管與傳統(tǒng)光電材料如化合物半導(dǎo)體、有機(jī)物半導(dǎo)體相比也具有優(yōu)異的光吸收和光響應(yīng)性能。碳納米管是一種多子帶、直接帶隙的半導(dǎo)體，其帶隙可調(diào)，并與直徑大致成反比關(guān)系，因此碳納米管薄膜具有從紫外到紅外的寬譜光吸收特性。 碳納米管的吸收系數(shù)很高，已報道碳管薄膜樣品在近紅外到中紅外區(qū)間的光吸收系數(shù)在 lOtn^cnf1之間，較傳統(tǒng)紅外材料高出約一個量級。作為一種小尺度的納米材料，碳納米管具有很好的光電集成潛力，在保持較高探測性能的同時，單一像素器件能夠達(dá)到亞微米尺度。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。在光電探測領(lǐng)域主要有納米單根碳納米管器件、碳納米管薄膜或陣列的光電導(dǎo)器件、碳納米管和傳統(tǒng)金屬的肖特基結(jié)型器件，但光電導(dǎo)型器件存在暗電流較大、響應(yīng)度不高等缺點，而與傳統(tǒng)金屬構(gòu)成的肖特基結(jié)型器件中，金屬會阻礙光的吸收，從而影響器件的整體性能，單根碳納米管器件雖然具有很優(yōu)異的性能，但很難大規(guī)模量產(chǎn)，并且器件的可靠性和可重復(fù)性較差。
[0005]石墨烯是由單層碳原子周期性緊密堆積構(gòu)成的結(jié)構(gòu)類似苯環(huán)(六角形蜂巢結(jié)構(gòu)) 的一種二維碳材料。石墨烯是由英國曼切斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時他們通過對石墨片層層剝離得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，就是石墨烯。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/ m ? K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15000cm2/V ? s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1(T8Q ?!!!，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。由于其獨有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢極為突出的。因其電阻率極低，電子迀移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。石墨烯最重要的性質(zhì)之一就是它獨特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性。石墨烯的價帶和導(dǎo)帶部分相重疊于費(fèi)米能級處，是能隙為零的二維半導(dǎo)體，載流子可不通過散射在亞微米距離內(nèi)運(yùn)動，為目前發(fā)現(xiàn)的電阻率最小的材料。石墨烯內(nèi)部電子輸運(yùn)的抗干擾能力很強(qiáng)，其電子迀移率在室溫下可超過15000cm2/(V ? s)，而當(dāng)載流子密度低于5 X109cnf2時，低溫懸浮石墨烯的電子迀移率首次被發(fā)現(xiàn)可以接近200000cm2/(V ? s)。單層懸浮石墨烯的白光吸收率是2.3%，而且吸收率隨著層數(shù)的變化呈線性增加。Gusynin等發(fā)現(xiàn)石墨烯的透明度只取決于其精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。在光電探測領(lǐng)域，雖然石墨烯具有很寬的吸收帶寬，也存在著明顯的劣勢;本征石墨烯自身由于光吸收率低、缺乏光增益機(jī)制，導(dǎo)致石墨烯探測器的響應(yīng)度較低;石墨烯自身的光生載流子壽命短，僅皮秒左右，導(dǎo)致光生載流子難以有效收集，也嚴(yán)重影響探測器的響應(yīng)度，因此單純的石墨烯基的探測器無法滿足實際應(yīng)用的需要。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，充分利用石墨烯這一新型的二維納米材料以及光電性能優(yōu)異的碳納米管材料，提供一種結(jié)構(gòu)新穎、制備工藝簡單、光吸收能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、且抗電磁干擾能力強(qiáng)的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其特點在于:在絕緣襯底上表面覆蓋有碳納米管薄膜，所述碳納米管薄膜上表面的一端設(shè)置有與所述碳納米管薄膜呈歐姆接觸的第一銀電極，另一端設(shè)置有與所述碳納米管薄膜呈肖特基接觸的石墨烯薄膜， 在所述石墨烯薄膜上設(shè)置有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的第二銀電極。
[0009]在上述結(jié)構(gòu)中，碳納米管薄膜可以完全覆蓋絕緣襯底的上表面，也可以部分覆蓋； 第一銀電極與石墨烯薄膜不接觸，第二銀電極與碳納米管薄膜不接觸。
[0010]其中，所述碳納米管薄膜由本征碳納米管構(gòu)成;所述石墨烯薄膜為本征石墨烯薄膜。
[0011]所述絕緣襯底是以單晶硅為基底、且二氧化硅層厚度不小于300nm的二氧化硅片。 [〇〇12]所述第一銀電極和第二銀電極的厚度為15-30nm。
[0013]本發(fā)明上述石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器的制備方法，是按如下步驟進(jìn)行:
[0014](1)將絕緣襯底依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，然后用氮氣槍吹干備用；
[0015]⑵將碳納米管粉末溶解在N-甲基-2-啦咯烷酮中，離心，所得上清液滴涂到絕緣襯底上，晾干，形成碳納米管薄膜；
[0016](3)通過電子束鍍膜方法在碳納米管薄膜的一側(cè)蒸鍍第一銀電極；
[0017](4)利用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到碳納米管薄膜上，使其位于碳納米管薄膜的另一側(cè)；
[0018](5)在石墨烯薄膜上表面點上銀漿作為第二銀電極，即獲得石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器。
[0019]本發(fā)明的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器利用石墨烯優(yōu)異的透光和導(dǎo)電能力構(gòu)筑肖特基結(jié)，增強(qiáng)器件的光電特性，具體工作原理如下:以石墨烯和碳納米管形成的肖特基結(jié)為核心，利用石墨烯在紫外_可見-近紅外光的高透過性，結(jié)合碳納米管本身的帶隙特征，從而最大程度的提高整個器件對光的吸收能力。
[0020]本發(fā)明所用石墨烯薄膜為采用CVD方法制備的本征石墨烯薄膜，其為弱P型類金屬材料，因此可以與碳納米管形成肖特基異質(zhì)結(jié)。
[0021]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0022]1、本發(fā)明的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，既利用了碳納米管寬光譜吸收的特性，又結(jié)合了石墨烯高透光率、低電阻率等優(yōu)良特性，實現(xiàn)了對300-1050nm光的探測，不僅具有響應(yīng)速度快、響應(yīng)度高、波長響應(yīng)范圍大等優(yōu)點，還具有綠色環(huán)保的特點，兼具實用性和一定前瞻性。
[0023]2、本發(fā)明利用離心、滴涂所獲得的碳納米管薄膜均勻且較為致密。
[0024]3、本發(fā)明的光電探測器制備方法簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，可制備寬光譜、高探測率、響應(yīng)速度快的光電探測器，為全碳結(jié)構(gòu)光電探測的應(yīng)用開拓了新的前景。【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的碳納米管薄膜在絕緣襯底表面的分布示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的石墨烯薄膜和碳納米管薄膜所構(gòu)筑肖特基結(jié)的光學(xué)顯微鏡圖； [〇〇28]圖4為本發(fā)明實施例中器件在黑暗條件和980nm光照條件下的電流與電壓關(guān)系特性曲線；
[0029]圖5為本發(fā)明實施例中器件在零偏壓下的光響應(yīng)圖(a)和上升下降時間圖(b);
[0030]圖6為本發(fā)明實例中器件的光電流隨入射光功率變化曲線(a)和光譜響應(yīng)圖(b); [0031 ]圖中標(biāo)號:1為絕緣襯底;2為碳納米管薄膜;3為第一銀電極;4為石墨烯薄膜;5為第二銀電極?！揪唧w實施方式】
[0032]實施例1
[0033]參見圖1，本實施例的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器具有如下結(jié)構(gòu): [〇〇34]在絕緣襯底1上表面覆蓋有碳納米管薄膜2,碳納米管薄膜2上表面的一端設(shè)置有與碳納米管薄膜2呈歐姆接觸的第一銀電極3，另一端設(shè)置有與碳納米管薄膜2呈肖特基接觸的石墨烯薄膜4,在石墨烯薄膜4上設(shè)置有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的第二銀電極5。
[0035]本實施例的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器是按如下步驟進(jìn)行制備:
[0036](1)將二氧化硅片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲10分鐘，然后用氮氣槍吹干，獲得絕緣襯底；[〇〇37](2)將lg碳納米管粉末(購買自Carbon solut1ns，型號P3-SWNT，純度大于90%)溶解100mL在N-甲基-2-吡咯烷酮中，離心，所得上清液滴涂到絕緣襯底上，瞭干，形成碳納米管薄膜，其分布示意圖如圖2所示；[〇〇38](3)通過電子束鍍膜方法在碳納米管薄膜的一側(cè)蒸鍍厚度30nm的銀電極；
[0039](4)利用濕法轉(zhuǎn)移將通過CVD法制備的本征石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到碳納米管薄膜上，使其位于碳納米管薄膜的另一側(cè)；
[0040](5)在石墨烯薄膜上表面點上銀漿作為第二銀電極(厚度30nm)，即得石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其光學(xué)顯微鏡圖如圖3所示。
[0041]本實施例所得器件在黑暗(Dark)和980nm光照射下的電流和電壓的關(guān)系特性曲線如圖4所示，可以看出器件具有很好的整流特性，整流特性比大概為102左右。同時，加光照射時，器件在反向偏置時有很明顯的響應(yīng)，電流達(dá)到4X1(T3A，而在正向偏置時則基本沒有變化，電流仍保持在IX 1(T3A。這證明了本實施例的肖特基結(jié)型光電探測器為少子器件，工作在反向偏置，同時也間接表明銀電極與碳納米管薄膜有很好的歐姆接觸，石墨烯也與碳納米管薄膜形成了很好的肖特基接觸。[〇〇42]本實施例所得器件在0V偏壓下的脈沖光照響應(yīng)曲線如圖5(a)所示，可以看出器件隨著光源的開關(guān)在高低阻態(tài)之間變化并且具有很好的重復(fù)性，開關(guān)比為228。此外器件在沒有電壓驅(qū)動時仍然具有電流，這說明器件具有光伏特性，可以作為一種不需要外電流驅(qū)動的光電探測器。器件的響應(yīng)時間曲線如圖5(b)所示，可以看出器件的上升時間為6&is、下降時間為105yS，這表明了本實施例所制備的器件具有非常優(yōu)異的響應(yīng)速度。
[0043]本實施例所得器件的光電流隨入射光功率的變化曲線如圖6(a)所示，可以看出光電流隨入射光功率的變化呈線性變化的趨勢，這表明了本實施例所制備的器件具有很好的線性范圍。器件的響應(yīng)度隨入射光波長的變化曲線如圖6(b)所示，可以看出器件在300-llOOnrn內(nèi)都有一定的響應(yīng)，在950nm處響應(yīng)度最高為230mA/W。這表明本實施例所制備的器件可以作為一種寬光譜響應(yīng)的、而且對紅外光較敏感的光電探測器。
【主權(quán)項】
1.石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其特征在于:在絕緣襯底(1)上表面覆 蓋有碳納米管薄膜(2)，所述碳納米管薄膜(2)上表面的一端設(shè)置有與所述碳納米管薄膜(2)呈歐姆接觸的第一銀電極(3)，另一端設(shè)置有與所述碳納米管薄膜(2)呈肖特基接觸的 石墨烯薄膜(4)，在所述石墨烯薄膜(4)上設(shè)置有與石墨烯薄膜呈歐姆接觸的第二銀電極 (5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其特征在于:所 述碳納米管薄膜由本征碳納米管構(gòu)成;所述石墨烯薄膜為本征石墨烯薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其特征在于:所 述絕緣襯底是以單晶硅為基底、且二氧化硅層厚度不小于300nm的二氧化硅片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器，其特征在于:所 述第一銀電極和第二銀電極的厚度為15_30nm。5.—種權(quán)利要求1-4中任意一項所述的石墨烯/碳納米管薄膜肖特基結(jié)光電探測器的 制備方法，其特征是按如下步驟進(jìn)行:(1)將絕緣襯底依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，然后用氮氣槍吹干備用；(2)將碳納米管粉末溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮中，離心，所得上清液滴涂到絕緣襯底 上，晾干，形成碳納米管薄膜；(3)通過電子束鍍膜方法在碳納米管薄膜的一側(cè)蒸鍍第一銀電極；(4)利用濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到碳納米管薄膜上，使其位于碳納米管薄膜的另 一側(cè)；(5)在石墨烯薄膜上表面點上銀漿作為第二銀電極，即獲得石墨烯/碳納米管薄膜肖特 基結(jié)光電探測器。
【文檔編號】H01L31/0256GK106024968SQ201610394607
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】羅林保, 張騰飛, 汪丹丹, 鄒宜峰, 梁鳳霞
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)