[发明专利]一种基于石墨烯热电效应的室温太赫兹探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹探测器领域，特别涉及一种基于石墨烯热电效应的室温太赫兹探测器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波(THz)是频率为0.3THz-30THz的电磁波，位于红外和毫米波之间，其应用一直受限于高功率以及高灵敏度的太赫兹源和太赫兹探测器。与传统光源相比，太赫兹具有相干、光子能量低、穿透力强等优异性能，在生物医学、无损检测、安检成像、雷达通信等应用领域有重要应用前景。太赫兹技术一旦实际应用于军事通信、战场侦察、反隐身和电子战等领域，将会给当前军事领域带来深远影响。

太赫兹探测器是太赫兹技术走向应用的关键器件。目前常用的太赫兹探测器包括热探测器和光电导探测器。其中热探测器主要包括焦热电探测器(pyroelectric detector)和液氦冷却的微机械硅bolometer。随着热探测器性能的不断提高，采用上述器件制作的二维阵列探测器得到快速发展，目前已成功应用于太赫兹成像系统中。太赫兹波段的光电导探测器早期主要为掺镓的锗光电导探测器和N型体材料的砷化镓探测器。现有的商用探测器存在灵敏度低、等效噪声功率高、或者响应速度慢等问题。

石墨烯是一种高迁移率、零带隙、费米能级可电调谐的新型二维电子气材料，具有非线性输运、宽频光吸收、高电热导率等优异特性，近年来的理论和实验结果表明，利用石墨烯可以设计新型太赫兹光电探测器。现阶段，基于石墨烯的太赫兹探测器主要有三类：等离子体波增强型场效应管太赫兹探测器、石墨烯异质结探测器、热电效应探测器等。

国内外对石墨烯热电效应进行的理论与实验的研究表明，石墨烯热电探测器具有宽频带、响应速度快、灵敏度高、室温工作等优于一般热电材料的优点。探测器工作原理可用塞贝克公式(Seebeck effect)表示，是微观局域地响应电压，S是塞贝克系数与电导率和费米能级相关是温度梯度。太赫兹热效应探测器的研制主要着手于器件温度、塞贝克系数的不对称分布，国际上已有不少进展，然而都没有同时结合两者，提高热效应探测器响应率，而且之前研制的太赫兹器件没有考虑太赫兹场与天线的耦合作用，实验证明太赫兹场与天线的耦合的不均匀性同样可以增强探测器的响应率和灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯热电效应的室温太赫兹探测器及其制备方法，该探测器响应率和灵敏度高，制备工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

本发明的一种基于石墨烯热电效应的室温太赫兹探测器，所述探测器包括硅衬底、位于硅衬底上的SiO₂薄膜、位于SiO₂薄膜上的石墨烯有效区以及天线；所述石墨烯有效区两端欧姆接触电极使用不同功函数不同热导率的金属材料。

所述不同功函数不同热导率的金属材料分别为Au和Ti。

所述天线为偶极子天线，谐振频率1-3THz，非对称。

所述石墨烯有效区左端电场弱，右端电场强。

本发明的一种基于石墨烯热电效应的室温太赫兹探测器的制备方法，包括：

(1)在石墨烯表面通过氧等离子体刻蚀出器件的石墨烯有效区，去掉多余的石墨烯；

(2)通过湿法刻蚀SiO₂薄膜，制作出背栅电极；

(3)将石墨烯有效区通过电子束曝光，显影出石墨烯有效区沟道；

(4)在上述石墨烯有效区一侧通过电子束蒸发蒸镀漏源电极Au和Ti，最后进行退火，即得室温太赫兹探测器。

所述步骤(3)中的石墨烯有效区沟道长度为1μm。

所述步骤(4)中的退火温度为400-500℃，退火时间为40-50min。