一種偏振光探測器及其制備方法

1.本發明涉及偏振光探測技術領域，尤其涉及一種偏振光探測器及其制備方法。


背景技術：

2.光探測器可以實現光電信號直接轉換來實現光探測，在各種光探測器中，偏振光探測器可以精細識別光的偏振信息，提高光探測的準度和精度，在許多領域有非常重要的應用價值。
3.目前偏振光探測主要是基于一維納米材料本身的偏振敏感度來實現。但是基于這類材料的加工難度較大、納米溝道對準比較復雜，限制了這類材料在偏振光探測領域的應用。近年來，具有面內各向異性的二維材料在偏振光探測領域受到廣泛關注。黑磷材料可以在可見到紅外波段響應，但是其較差的化學穩定性限制了其在偏振光探測領域的應用。其他可實現偏振光探測的二維材料幾乎都是寬禁帶半導體，響應波段都受限于其能帶結構，只在紫外到可見光范圍響應，且這些偏振光探測材料的功函數與純金屬電極的功函數存在差異、兩者之間的表面功函數不匹配，制備得到的器件效率低。
4.因此，現有技術還有待于改進和發展。


技術實現要素：

5.鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種偏振光探測器及其制備方法，旨在解決現有偏振光探測器中純金屬電極與偏振光探測材料之間表面功函數不匹配、器件效率低的問題。
6.本發明的技術方案如下：
7.本發明的第一方面，提供一種偏振光探測器，其中，所述偏振光探測器包括光電轉換層和相對設置在所述光電轉換層上的兩個電極，所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，所述兩個電極的材料均為ptse2，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
8.可選地，所述偏振光探測器還包括基板，所述光電轉換層的遠離所述兩個電極的一側設置在所述基板上；
9.或，所述偏振光探測器還包括基板，所述兩個電極的遠離所述光電轉換層的一側設置在所述基板上。
10.可選地，所述相對設置的兩個電極為相對設置的兩個叉指電極，所述兩個叉指電極包括叉指部，所述兩個叉指電極的叉指部與所述光電轉換層接觸，所述兩個叉指電極的叉指部與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
11.可選地，所述兩個叉指電極的叉指部的厚度為3～20nm。
12.可選地，所述兩個叉指電極還包括與所述叉指部相連的根部，所述兩個叉指電極的根部與所述光電轉換層均不形成接觸，所述根部的厚度為21～110nm。
13.本發明的第二方面，提供一種偏振光探測器的制備方法，其中，包括步驟：
14.提供基板；
15.在所述基板上形成光電轉換層；
16.在所述光電轉換層上相對設置兩個電極，所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，得到所述偏振光探測器；
17.所述兩個電極的材料均為ptse2，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
18.本發明的第三方面，提供另一種偏振光探測器的制備方法，其中，包括步驟：
19.提供基板；
20.在所述基板上相對設置兩個電極；
21.在所述兩個電極上形成光電轉換層，所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，得到所述偏振光探測器；
22.所述兩個電極的材料均為ptse2，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
23.可選地，所述電極的制備方法具體包括步驟：
24.制備具有預設圖案的pt薄膜，然后進行硒化，形成ptse2電極。
25.可選地，所述預設圖案為叉指狀圖案。
26.可選地，所述硒化的溫度為250～450℃，時間為30～120min。
27.有益效果：本發明中，單晶snse二維納米片作為光電轉換層中的偏振光探測材料，其本征具有面內各向異性，可以根據光電流直接提取光偏振信息，不需要使用額外的偏振片。進一步地，在兩個電極與光電轉換層接觸的部分構建了snse/ptse2異質結作為偏振光探測材料實現光電信號的轉換，能夠有效促進光生載流子的分離、增強光電流、提高器件效率；兩個電極與光電轉換層未接觸的部分作為ptse2電極實現光生載流子向外電路的轉移。而將ptse2同時作為偏振光探測材料和電極材料，能夠避免電極材料和偏振光探測材料之間存在表面功函數失配的問題。也就是說，本發明采用ptse2同時作為偏振光探測材料和電極材料，使得電極材料和偏振光探測材料之間不存在表面功函數失配問題的同時能夠有效促進光生載流子的分離、增強光電流、提高器件效率。
附圖說明
28.圖1a為本發明實施例中偏振光探測器的結構示意圖，圖1b為本發明實施例中叉指電極的結構示意圖。
29.圖2為本發明實施例中偏振光探測器的制備流程示意圖。
30.圖3為本發明實施例1中偏振光探測器在405nm偏振光照射下光電流隨偏振角度變化圖。
31.圖4為本發明實施例1中偏振光探測器在785nm偏振光照射下光電流隨偏振角度變化圖。
32.圖5為本發明實施例2中偏振光探測器在不同彎曲角度下對532nm偏振光的光電流響應變化圖。
具體實施方式
33.本發明提供一種偏振光探測器及其制備方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
34.除非另有定義，本文所使用的所有的技術術語和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發明。
35.硒化錫(snse)二維層狀材料具有類黑磷的層狀褶皺結構，因其在熱電、鐵電和光電等領域展現出的巨大應用潛力而受到了廣泛關注。snse層數依賴的超窄可調帶隙、高的光吸收系數和面內各向異性，使得snse在偏振光電材料領域具有巨大的研究潛力，本發明實施例以硒化錫(snse)二維層狀材料為基礎進行研究，提供一種偏振光探測器，其中，如圖1a所示，所述偏振光探測器包括光電轉換層2和相對設置在所述光電轉換層2上的兩個電極3，所述兩個電極3均與所述光電轉換2層形成部分接觸，所述兩個電極3的材料均為ptse2，所述光電轉換層2的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極3與所述光電轉換層2接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
36.本實施例中，所述兩個電極相對設置，兩個電極之間無接觸。所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，也就是說，沿光電轉換層的平面方面上，所述兩個電極均包括與光電轉換層接觸的部分和不與光電轉換層接觸的部分；所述兩個電極中，與光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結，不與光電轉換層接觸的部分即為ptse2電極。
37.本實施例中，單晶snse二維納米片作為光電轉換層中的偏振光探測材料，其本征具有面內各向異性，可以根據光電流直接提取光偏振信息，不需要使用額外的偏振片。進一步地，在兩個電極與光電轉換層接觸的部分構建了snse/ptse2異質結作為偏振光探測材料實現光電信號的轉換，能夠有效促進光生載流子的分離、增強光電流、提高器件效率；兩個電極與光電轉換層未接觸的部分作為ptse2電極實現光生載流子向外電路的轉移。而將ptse2同時作為偏振光探測材料和電極材料，能夠避免電極材料和偏振光探測材料之間存在表面功函數失配的問題。也就是說，本發明采用ptse2同時作為偏振光探測材料和電極材料，使得電極材料和偏振光探測材料之間不存在表面功函數失配問題的同時能夠有效促進光生載流子的分離、增強光電流、提高器件效率。
38.在一種實施方式中，如圖1a所示，所述偏振光探測器還包括基板1，所述光電轉換層2的遠離所述兩個電極1的一側設置在所述基板1上，也就是說，三者的位置關系是所述光電轉換層2設置在所述基板1上，所述兩個電極3相對設置在所述光電轉換層2上。
39.在另一種實施方式中，所述偏振光探測器還包括基板1，所述兩個電極3的遠離所述光電轉換層2的一側設置在所述基板1上，也就是說，三者的位置關系是所述兩個電極3相對設置在所述基板1上，所述光電轉換層2設置在所述兩個電極3上。本說明書附圖部分未具體示意出該結構的偏振光探測器，但可以理解的是，本實施方式中，光電轉換層2與兩個電極3相對于基板1的位置與圖1所示的相反，本實施方式中，光電轉換層2設置在所述兩個電極3上。
40.本發明的偏振光探測器至少包括上述兩種結構，且兩種器件都具有結構簡單的優點。
41.在一種實施方式中，所述基板選自剛性基板和柔性基板。本實施方式中，選擇剛性或柔性基板，可以實現剛性或柔性偏振光探測器的制備，以適用于不同的應用場合。
42.在一種實施方式中，所述剛性基板選自氧化硅基板、硅和氧化硅復合基板、藍寶石基板中的一種，但不限于此。其中，所述硅和氧化硅復合基板由硅層以及設置在所述硅層上的氧化硅層構成。
43.在一種實施方式中，所述柔性基板選自聚酰亞胺基板、聚二甲基硅氧烷基板中的一種，但不限于此。
44.在一種實施方式中，所述單晶snse二維納米片的厚度為1～500nm。
45.在進一步的實施方式中，所述單晶snse二維納米片的厚度為20～40nm。
46.在一種實施方式中，如圖1a和1b所示，所述相對設置的兩個電極3為相對設置的兩個叉指電極，所述兩個叉指電極包括叉指部31(如圖1b中虛線框中的部分)，所述兩個叉指電極的叉指部31與所述光電轉換層2接觸，所述兩個叉指電極的叉指部31與所述光電轉換層2接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
47.本實施方式中，形成snse/ptse2異質結作為偏振光探測材料，偏振光激發snse/ptse2異質結產生光生載流子時光生載流子可以得到有效的分離，實現光電信號的轉換的同時能夠增強光電流、提升器件效率。
48.在一種實施方式中，所述兩個叉指電極的叉指部31的厚度為3～20nm。該厚度更有利于其與單晶snse二維納米片形成范德瓦爾斯異質結。
49.在一種實施方式中，如圖1a和1b所示，所述兩個叉指電極的叉指部31包括多個平行設置的叉指，所述兩個叉指電極中多個平行設置的叉指交錯排列。對于叉指的寬度及長度及叉指之間的間隙的寬度，本實施方式不作具體限制，可根據實際需要進行選擇。
50.在一種實施方式中，如圖1a和1b所示，所述兩個叉指電極還包括與所述叉指部31相連的根部32，所述兩個叉指電極的根部32與所述光電轉換層2均不形成接觸，所述叉指電極的根部32的厚度為21～110nm。所述兩個叉指電極的根部均不與光電轉換層形成接觸，起到電極的作用，將光生載流子轉移到外部電路。該厚度可以保證ptse2足夠的金屬性，此厚度的ptse2叉指電極根部作為偏振光探測器的電極，能夠實現光生載流子的高通量轉移。
51.本發明的發明人巧妙地利用了ptse2具有隨厚度增加發生半導體到半金屬轉變的特性(隨著厚度的增加，帶隙逐漸減小至消失)，將ptse2既作為電極材料又作為偏振光探測材料，避免現有純金屬電極與偏振光探測材料之間由于功函數差異導致的不利影響。具體地，ptse2叉指電極的叉指部和根部的厚度不同，ptse2叉指電極的叉指部的厚度為3～20nm，根部的厚度為21～110nm。當ptse2的厚度為3～20nm(叉指部)時，其具有半導體性質，可以與光電轉換層中的單晶snse二維納米片形成異質結結構，實現光生載流子的有效分離；當ptse2的厚度為21～110nm(根部)時，其具有足夠的金屬性，作為偏振光探測器的電極(相當于現有技術中純金屬電極的作用)，能夠有效地將產生的光生載流子轉移到外電路。
52.本實施方式中，當兩個電極為叉指電極時，叉指電極的叉指部與光電轉換層接觸，形成snse/ptse2異質結作為偏振光探測材料，偏振光激發snse/ptse2異質結產生光生載流子時光生載流子可以得到有效的分離；叉指電極的根部不與光電轉換層接觸，叉指電極的根部作為電極將有效分離的光生載流子轉移到外電路。也就是說，將ptse2叉指電極的一部分(叉指部)與光電轉換層中的snse形成異質結作為偏振光探測材料，受偏振光激發產生光
生載流子并能促進光生載流子的有效分離；將ptse2叉指電極的另一部分(根部)作為電極，將光生載流子轉移到外電路，這種材料與結構的設計在實現光生載流子高效分離的同時避免了現有純金屬電極材料與偏振光探測材料之間存在的表面功函數失配的問題。
53.本發明實施例還提供一種偏振光探測器的制備方法，其中，包括步驟：
54.s11、提供基板；
55.s12、在所述基板上形成光電轉換層；
56.s13、在所述光電轉換層上相對設置兩個電極，所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，得到所述偏振光探測器；
57.所述兩個電極的材料均為ptse2，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
58.本實施例提供的制備方法，條件溫和，方法簡單。
59.步驟s12中，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述單晶snse二維納米片采用機械剝離的方法進行制備，此為現有技術，此處不再贅述。
60.步驟s13中，在一種實施方式中，所述電極的制備方法具體包括步驟：
61.制備具有預設圖案的pt薄膜，然后進行硒化，形成ptse2電極。
62.本實施方式中，可采用光刻法制備具有預設圖案的pt薄膜，具體地，依次進行光刻、曝光、顯影、沉積，得到具有預設圖案的pt薄膜；也可直接采用掩膜法制備具有預設圖案的pt薄膜，具體地，在表面上設置有光電轉換層的基板上覆蓋具有預設圖案的掩模板(掩模板的鏤空圖案與所述pt薄膜的預設圖案相同)，然后蒸鍍pt薄膜，去除掩模板后得到具有預設圖案的pt薄膜。
63.在一種實施方式中，所述預設圖案為叉指狀圖案。
64.在一種實施方式中，所述硒化的溫度為250～450℃，時間為30～120min。
65.下面結合圖2，以單晶snse二維納米片為光電轉換層的材料，ptse2為電極材料，電極為叉指電極為例，詳細說明所述偏振光探測器的制備步驟。
66.步驟1、選取面積為1～10cm2的表面設置有一層厚度為280nm的氧化硅的單晶硅片作為基板，依次用去離子水、乙醇、異丙醇和丙酮清洗后吹干備用；
67.步驟2、將機械剝離制備得到的單晶snse二維納米片定向轉移到上述基板上；
68.步驟3、在上述表面上設置有單晶snse二維納米片的基板表面均勻旋涂一層光刻膠；
69.步驟4、選用紫外曝光的光刻方法在光刻膠表面構建叉指狀電極圖案，經過顯影去除曝光區域，得到光刻膠鏤空叉指狀電極圖案；
70.步驟5、在上述覆蓋有光刻膠鏤空叉指狀電極圖案的基板上，沉積一層厚度為1～7nm的pt薄膜；
71.步驟6、然后在丙酮中去膠，剝離未曝光區域的光刻膠及沉積在該區域的pt薄膜，得到叉指狀pt薄膜；
72.步驟7、利用和步驟3-4相同的方法，暴露步驟4所獲得的叉指狀pt薄膜的根部區域(對應圖2中的5-pt金屬薄膜-a區域)；
73.步驟8、進行第二次蒸鍍一層pt薄膜，此pt薄膜厚度為8～35nm；
74.步驟9、然后在丙酮中去膠，剝離未曝光區域的光刻膠及沉積在該區域的pt薄膜，
形成根部與指部厚度不同的叉指狀pt薄膜(即圖2中6-pt金屬薄膜+5-pt金屬薄膜區域)；
75.步驟10、將上述沉積有叉指狀pt薄膜的基板在ar氣保護下進行硒化(氬氣流速100～200sccm，氮氣流速5～30sccm，硒化溫度為250～450℃，反應時間為30～120min)，得到ptse2叉指電極，即制備得到所述偏振光探測器。
76.本發明實施例還提供一種偏振光探測器的制備方法，其中，包括步驟：
77.s21、提供基板；
78.s22、在所述基板上相對設置兩個電極；
79.s23、在所述兩個電極上形成光電轉換層，所述兩個電極均與所述光電轉換層形成部分接觸，得到所述偏振光探測器；
80.所述兩個電極的材料均為ptse2，所述光電轉換層的材料為單晶snse二維納米片，所述兩個電極與所述光電轉換層接觸的部分形成snse/ptse2異質結。
81.步驟s22中，所述電極的制備方法具體包括步驟：
82.制備具有預設圖案的pt薄膜，然后進行硒化，形成ptse2電極。
83.本實施方式中，可采用光刻法制備具有預設圖案的pt薄膜，具體地，依次進行光刻、曝光、顯影、沉積，得到具有預設圖案的pt薄膜；也可直接采用掩膜法制備具有預設圖案的pt薄膜，具體地，在基板上覆蓋具有預設圖案的掩模板(掩模板的鏤空圖案為所述pt薄膜的預設圖案)，然后蒸鍍pt薄膜，去除掩模板后得到具有預設圖案的pt薄膜。
84.在一種實施方式中，所述預設圖案為叉指狀圖案。
85.步驟s23中，在一種實施方式中，所述硒化的溫度為250～450℃，時間為30～120min。
86.下面通過具體的實施例進行詳細說明。
87.實施例1
88.本實施例提供一種偏振光探測器的制備方法，如圖2所示，包括步驟：
89.步驟1、選取面積為2cm2的表面設置有一層厚度為280nm的氧化硅的單晶硅片作為基板，依次用去離子水、乙醇、異丙醇和丙酮清洗后吹干備用；
90.步驟2、將機械剝離制備得到厚度為40nm的單晶snse二維納米片定向轉移到上述基板上；
91.步驟3、在上述表面上設置有單晶snse二維納米片的基板表面均勻旋涂一層光刻膠(ar-p370)；
92.步驟4、選用紫外曝光的光刻方法在光刻膠表面構建叉指狀電極圖案(曝光時間為4s)，經過顯影(顯影時間為50s)去除曝光區域，得到光刻膠鏤空叉指狀電極圖案；
93.步驟5、在上述覆蓋有光刻膠鏤空叉指狀電極圖案的基板上，利用電子束蒸鍍沉積一層厚度為2nm的pt薄膜；
94.步驟6、然后在丙酮中去膠，剝離未曝光區域的光刻膠及沉積在該區域的pt薄膜，得到叉指狀pt薄膜；
95.步驟7、利用和步驟3-4相同的方法，經過光刻、曝光、顯影后暴露步驟4所獲得的叉指狀pt薄膜的根部區域(對應圖2中的5-pt金屬薄膜-a區域)；
96.步驟8、進行第二次電子束蒸鍍沉積一層pt薄膜，此層pt薄膜厚度為10nm；
97.步驟9、然后在丙酮中去膠，剝離未曝光區域的光刻膠及沉積在該區域的pt薄膜，
形成根部與指部厚度不同的叉指狀pt薄膜(即圖2中6-pt金屬薄膜+5-pt金屬薄膜區域)；
98.步驟10、將上述沉積有根部與指部厚度不同的叉指狀pt薄膜的基板與硒粉分別放置在管式爐中氣體通入方向的下游和上游，在氬氣保護下進行硒化(氬氣流速100sccm，氮氣流速50sccm，硒化溫度為450℃，反應時間為120min)，形成ptse2叉指電極，即制備得到所述偏振光探測器。
99.測試：
100.選定波長的激發光經過顯微鏡系統，利用偏振片調節光源的偏振角，將上述偏振光照射在實施例1中的偏振光探測器的snse二維納米片區域。偏振光在snse/ptse2異質結中激發形成光生載流子，載流子經過ptse2叉指電極根部轉移到外部電路。檢測回路中的電流大小可以實現偏振光探測。偏振光探測器在405nm偏振光的照射下光電流隨偏振角度變化圖，如圖3所示，當偏振角度從0度到360度的變化過程中，光電流值出現先增大、再減小、再增大、再減小的趨勢，當偏振角為90度和270度時，光電流響應值最大。偏振光探測器在785nm偏振光的照射下光電流隨偏振角度變化圖，如圖4所示，當在波長較長的條件下，偏振光探測器仍具有較高的光電流響應，當偏振角度從0度到360度的變化過程中，光電流值出現先增大、再減小、再增大、再減小的趨勢，當偏振角為90度和270度時，光電流響應值最大。
101.實施例2
102.本實施例偏振光探測器的制備步驟同實施例1，區別僅在于采用聚酰亞胺基板。步驟2中制備得到的偏振光探測器在不同彎曲角度下對532nm偏振光的光電流響應變化圖如圖5所示，可以看出，隨著彎曲角度的變化，偏振光探測器的光電流響應值變化幅度很小，證明了該柔性偏振光探測器的成功制備，所述柔性偏振光探測器可以適應不同的應用場景。
103.綜上所述，本發明提供一種偏振光探測器及其制備方法，本發明中，單晶snse二維納米片作為光電轉換層中的偏振光探測材料，其本征具有面內各向異性，可以根據光電流直接提取光偏振信息，不需要使用額外的偏振片。進一步地，在兩個電極與光電轉換層接觸的部分構建了snse/ptse2異質結作為偏振光探測材料實現光電信號的轉換，能夠有效促進光生載流子的分離，增強光電流，提高器件效率；兩個電極與光電轉換層未接觸的部分作為ptse2電極實現光生載流子向外電路的轉移。也就是說，本發明采用ptse2同時作為偏振光探測材料和電極材料，使得電極材料和偏振光探測材料之間不存在表面功函數失配問題的同時能夠有效促進光生載流子的分離、增強光電流、提高器件效率。
104.應當理解的是，本發明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。