[发明专利]基于石墨烯材料和有机配合物的SWIR光电探测器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于石墨烯材料和有机配合物的SWIR光电探测器及其制备方法。所述光电探测器包括依次层叠设置的衬底、介质层、石墨烯材料层和光吸收层，其中，所述光吸收层为四硫富瓦烯和氯苯胺形成的有机配合物层，记为TTFCA有机配合物层。该SWIR光电探测器的波长在550～2250nm的范围内，其在2μM波长下获得了高的比探测率(大于10¹¹琼斯)，而且具有超高的响应率(高达10⁵A/W)，在2μm处的快速响应时间(在7.7ms以下)和增益(高达10⁷)。本发明可在室温下实现低成本制备，为可扩展的高性能SWIR光探测开辟了方向，具有巨大的商业化潜力。

技术领域

本发明涉及光电探测器领域。涉及一种基于石墨烯材料和有机配合物的SWIR光电探测器及其制备方法。

背景技术

近几十年来，SWIR的光子学技术引起了越来越多的关注，人们对室温、高灵敏度的宽带短波长红外(SWIR)光探测引起了极大的兴趣。与可见光相比，SWIR具有更强的穿透大气中浓雾和大量尘埃的能力，与中、远红外光相比，SWIR能够在几乎没有损失的情况下识别出冷背景物体。此外，高灵敏度、低功耗为SWIR在传感、电信、光通信与成像、生物医学、夜间成像、大气遥感等领域的应用铺平了重要道路。

用于感测不同波长区域的市售光电探测器通常由单独的光活性半导体执行，例如Ge(0.8-1.8μM)、InGaAs(0.9-2.6μM)、PbS(1.0-2.9μM)、PbSe(1.5-4.8μM)和HgCdTe(2.0-8.0μM)合金，它表现出优异的性能，但需要高温生长、复杂的制造工艺或设备昂贵的低温环境。有些还需要额外的冷却附件来实现高灵敏度。有研究表明，低维界面上的光电门控(光电导门控)是一种通过增益机制提高灵敏度的有效机制。

虽然现有技术在光电探测器领域取得了一系列的改进和性能提升，商用无机光电探测器的实际应用依然受到很大限制。随着2d材料的兴起，人们报道了石墨烯和过渡金属二羟基化合物与各种半导体材料(包括2d纳米片、一维纳米线或纳米管、零维量子点、薄有机材料等)的结合。有机半导体具有大面积镀膜、柔性、重量轻、成本低等优点，可以克服这一限制。然而，对于高灵敏度的红外有机光电探测器，特别是对于吸收波长大于1000nm的红外有机光电探测器，报道的数量非常有限。因此，迫切需要具有合适的带隙、宽光谱范围内的高吸收效率和高灵敏度的新型有机红外材料。

有机电荷转移络合物(CPXs)通常由有机给体和受体组成，还具有独特的低能分子间电子跃迁(所谓电荷转移(CT)激发)。由于分子轨道重叠和供体与受体间的杂交，CT跃迁能可以下降到SWIR区。迄今为止，CPX因其独特的光学、电学和磁学性质而得到了广泛的应用。特别是，这些配合物中的分子间电子跃迁有助于有效的电荷分离，这对于它们在光电应用中的应用具有非常重要的意义。

石墨烯一种具有六角蜂窝状排列的sp2碳原子层的二维薄片具有许多独特的性质，包括无间隙带结构、超快载流子动力学(～ps)、高载流子迁移率(200000cm²v^-1s^-1)、可调功函数、强光-物质耦合、柔性等。与CMOS技术的兼容性使其对超高速、宽带和灵活的光电器件具有吸引力。然而，这也使得高效吸收光、分离和收集石墨烯中的低能(IR)光生载流子成为挑战。

最近，有机铁电聚合物(P(VDF-TrFE)与二硫化钼(MoS₂)的混合准独立结构被证明在10μM处具有140mA W^-1的高响应度，在637nm(可见)处具有9×10¹⁴琼斯的最高检测率。

尽管红外无机半导体工业取得了持续的成就，但其生长过程复杂、工作温度低、工作带宽有限、长波长灵敏度低等问题仍然是一个难题，室温长波长灵敏度光电探测有待进一步提高。

发明内容