[发明专利]一种基于碳量子点和石墨烯的光电探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于碳量子点和石墨烯的光电探测器及制备方法，该光电探测器包括硅衬底、石墨烯薄膜、碳量子点和源漏电极。本发明提供的碳量子点和石墨烯的光电探测器以碳量子点为光吸收介质层，实现了光电信号的转换；以石墨烯为传输材料，实现了载流子的快速运输；同时点缀在石墨烯薄膜上的碳量子点带隙可调并且可以和石墨烯相互作用，使得光生载流子能够有效的分离和快速运输，提高了探测器的响应度；本发明制备工艺简单，成本低廉，具有结构可控、易于集成、响应度高等特点。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于碳量子点和石墨烯的光电探测器及制备方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的仪器设备，其基本原理是利用光的辐射引起背照射材料的电导率发生改变，从而引起电信号的变化。光电探测器在军事和国民经济等许多领域具有广泛的用途。随着激光与紫外技术的发展，以及材料性能的改进和制造工艺的不断完善，光电探测器朝着集成化的方向发展，这大大缩小了器件的体积，改善了性能，降低了成本。虽然基于硅光电探测器发展比较成熟，然而由于不断缩小的集成电路及硅的成本高易碎等诸多缺点，基于探索新的活性材料。自2004年石墨烯被发现，制备出石墨烯器件之后，石墨烯在各种电子器件中被广泛应用，有望成为下一代集成电路的基础材料。

石墨烯是有单层碳原子按照蜂窝状结构紧密排列的一种二维平面晶体材料，由于其只有一个原子层的厚度，具有极高的载流子迁移率、亚微米量级的弹道运输、优异的机械性能和导热性以及良好的光学特性和化学稳定性等一系列优越的特性。因此石墨烯在光电探测领域极具潜力，具有光谱频带宽、响应速度快等优点，理论上可以将其作为半导体光电探测器件的功能层。但是石墨烯在具有光电探测器件应用中存在两个方面的主要问题。一方面，石墨烯是一种零带隙半导体，其光学吸收能力较弱，并且产生的热电子-空穴对寿命短；另一方面，石墨烯易受到衬底及界面效应的影响，由于衬底及界面效应引起的各种散射对石墨烯的迁移率影响很大，进而影响空穴的运输。这两个方面因素造成石墨烯光电探测器的灵敏度和响应度降低。

碳点作为一种新型的碳基零维材料，由于其独特的化学和光电性质，优异的水溶性优越环境友好、原料来源广、生产成本低等诸多优点被广泛应用于光电探测领域，并且碳点具有大的光学吸收，可以弥补石墨烯的弱光学吸收，同时带隙可调，可以检测从紫外、可见甚至到近红外波段。因此将二维石墨烯和零维碳量子点结合起来构建全碳基光电探测器件，其中碳量子点作为光学吸收介质，实现光电信号转换；石墨烯作为传输材料，为载流子的快速运输提供通道。该器件制备工艺简单，成本低廉，具有结构可控、易于集成、响应度高等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于碳量子点和石墨烯的光电探测器及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：硅衬底1、石墨烯薄膜2、碳量子点3和源漏电极4；其中，所述硅衬底的上表面覆盖石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上覆盖碳量子点，在石墨烯薄膜上覆盖源漏电极；

所述的硅衬底1为p型硅衬底，厚度为200μm，其上有厚度为300nm的二氧化硅氧化层，电阻率为0.01Ω·cm；

所述的石墨烯薄膜2为单层石墨烯；

所述的碳量子点3带隙可调，在紫外和可见光波段都有吸收，粒径为2.0-4.0nm，平均粒径为2.54nm；

所述的源漏电极4的电极材料为铬和金，金层位于铬层之上，其中铬黏附层的厚度为5nm，金层的厚度为60nm。

该制备方法包括以下步骤：

(1)硅衬底的切割、清洗和预处理：首先对硅衬底进行切割；然后将衬底分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗数次；最后将清洗干净的衬底放入等离子刻蚀机中进行刻蚀；

(2)覆盖石墨烯薄膜：在硅衬底的上表面湿法转移一层石墨烯薄膜；