一種基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器及其制備方法，特別涉及一種大面積、寬帶、快速響應(yīng)的石墨烯光電探測(cè)器，屬于光電檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測(cè)器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件，在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電材料，石墨烯在光電探測(cè)應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):
(I)寬光譜的光吸收和光響應(yīng)范圍，從可見、紅外、到遠(yuǎn)紅外，甚至太赫茲都有著吸收，單層石墨烯僅吸收約2.3%的可見光和紅外光，這個(gè)值并不依賴入射光波長(zhǎng)和材料本身，對(duì)層數(shù)較少的石墨烯，每層也近似吸收2.3%的光；(2)超快的響應(yīng)速度。由于石墨烯內(nèi)所有導(dǎo)帶載流子之間存在著超快且超尚效的關(guān)聯(lián)，在石墨稀內(nèi)快速制造出光電壓是可能的。石墨稀光生電子的發(fā)生和復(fù)合弛豫時(shí)間一般在飛秒至皮秒量級(jí)，理論上石墨烯光電響應(yīng)的速度可以達(dá)到500GHz ο
[0003]為了充分利用石墨烯獨(dú)特的光學(xué)特性，人們已經(jīng)開始探索新型結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)石墨稀同光的相互作用:(1)石墨稀與金屬微結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用金屬微結(jié)構(gòu)的表面等離子激元(SPP)所產(chǎn)生的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)提高了石墨烯的表面拉曼信號(hào)和光電流；(2)將石墨烯集成到光學(xué)微腔中，通過(guò)光學(xué)微腔對(duì)光場(chǎng)的共振作用增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用，獲得了更好的光電探測(cè)效果；(3)石墨烯與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)合，利用波導(dǎo)中倏逝場(chǎng)與石墨烯相互距離的增加來(lái)增強(qiáng)兩者的相互作用，例如將可門控吸收的石墨烯覆蓋在硅波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了寬帶光調(diào)制[9]，或?qū)⑹└采w在硅基光子晶體芯片上，增強(qiáng)其非線性光學(xué)效應(yīng)；(4)將石墨烯置于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的棱鏡上，利用光在棱鏡表面形成的倏逝場(chǎng)與石墨烯相互作用，這種結(jié)構(gòu)將具有明顯的偏振依賴性，其中石墨烯對(duì)s偏振光的吸收將遠(yuǎn)大于2.3%，并可以實(shí)現(xiàn)光的偏振控制、折射率傳感和對(duì)石墨烯自身結(jié)構(gòu)的表征。其中，前三種方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不適合大面石墨烯的應(yīng)用，最后一種方法雖然石墨烯與光相互作用的增強(qiáng)要小一些，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更適合大面積石墨烯的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器及其制備方法，本發(fā)明光電探測(cè)器件具有大面積、高響應(yīng)、寬帶的特性，以及高效的光電探測(cè)效率，相比于普通照射結(jié)構(gòu)的石墨烯探測(cè)器，光電響應(yīng)增強(qiáng)7倍以上。
[0005]本發(fā)明所提供的基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，自上而下依次是表面電極、石墨烯層、玻璃片、折射率匹配液、棱鏡，利用棱鏡將入射光入射到石墨烯上，當(dāng)入射光入射角度大于全內(nèi)反射臨界角時(shí)在玻璃片和石墨烯界面處發(fā)生全內(nèi)反射。在全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)下，石墨烯對(duì)光的吸收具有顯著的增強(qiáng)和偏振依賴性，從而增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的光電響應(yīng)，并具有明顯的偏振依賴性。
[0006]本發(fā)明所提供的基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)將石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的玻璃上；
[0008](2)再在石墨烯層上制作表面電極；
[0009](3)通過(guò)折射率匹配液將覆蓋有石墨烯的玻璃片貼附到棱鏡上。
[0010]所述的石墨稀為化學(xué)氣相沉積制備的石墨稀、氧化還原制備的石墨稀、或機(jī)械剝離法制備的石墨烯。
[0011]折射率匹配液是用于將棱鏡和玻璃片相貼合，并優(yōu)化兩者貼合時(shí)由于折射率變化帶來(lái)的光傳播變化。全內(nèi)反臨界角取決于玻璃片的折射率和石墨烯上層環(huán)境的折射率的共同作用。
[0012]光在全內(nèi)反射情況下，將會(huì)沿反射面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x，稱為古斯?jié)h欣位移，通常該位移在光波長(zhǎng)量級(jí)。如果我們將石墨烯置于該反射面上，在全內(nèi)反射下光與石墨烯的作用距離將得以增加，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)下的作用將依賴于光的偏振。當(dāng)光在全內(nèi)反射條件時(shí)，由于古斯?jié)h欣位移的影響，石墨烯對(duì)于S和P入射偏振光具有不同的吸收。其中單層石墨烯對(duì)于s偏振吸收理論上可以大于10%，由于該結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，而且石墨烯對(duì)s偏振的吸收可以有效的增強(qiáng)，遠(yuǎn)大于一般情況下的2.3%，這是提高石墨烯-光相互作用的一種有效方法。因此，基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)依賴于入射角的變化和入射光偏振的變化。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
[0014](I)本發(fā)明通過(guò)全內(nèi)反射這種特殊的石墨烯與光作用方式，增強(qiáng)了石墨烯與光的相互作用，其制備的石墨烯光電探測(cè)器具有增強(qiáng)的光電響應(yīng)，相對(duì)于普通照射結(jié)構(gòu)下的石墨稀光電探測(cè)器，光電流普遍高出4-7倍以上；
[0015](2)本發(fā)明制備的全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)石墨烯光電探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)大面積的光電探測(cè)；
[0016](3)本發(fā)明可以應(yīng)用于可見至紅外范圍內(nèi)的寬帶光電探測(cè)；
[0017](4)本發(fā)明可以應(yīng)用于快速高頻光電檢測(cè)領(lǐng)域，理論上響應(yīng)帶寬可達(dá)到500GHz。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為全內(nèi)反射不同入射角度下兩種偏振光的吸收變化。左圖為石墨烯上層為空氣介質(zhì)，右圖為石墨稀上層覆蓋PDMS介質(zhì)。
[0020]圖3為CVD單層石墨烯轉(zhuǎn)移到石英片上，以及制備出齒狀電極結(jié)構(gòu)。
[0021]圖4為兩種偏振光在不同入射光功率和電極間偏壓條件下光電流和光電響應(yīng)的變化。
[0022]圖5為兩種偏振光的吸收和光電響應(yīng)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例1
[0025]CVD單層石墨烯全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)下光電探測(cè)器的制備，包括以下步驟:
[0026]1、CVD單層石墨烯轉(zhuǎn)移到石英片上:
[0027](I)利用玻璃片將有石墨烯薄膜的銅箔處理平整；
[0028](2)將PET-硅膠層貼附到銅箔上；
[0029](3)將PET-硅膠/石墨烯/銅箔放入濃度為lmol/L的FeCl3水溶液中，浸泡I小時(shí)，徹底除掉金屬銅，留下PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)；
[0030](4)利用10 %鹽酸溶液浸泡半小時(shí)，去離子水對(duì)PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗，用氮?dú)獯蹈桑?br>[0031](5)將PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)緊貼到石英片上；
[0032](6)待緊貼后，將PET-硅膠層揭起，就得到了石英片基底的石墨烯，石墨烯面積為Icm氺0.5cm0
[0033]2、表面電極制作。利用光刻方法在石墨烯表面制備金電極:首先在石墨烯表面旋涂負(fù)性光刻膠，厚度約5微米；其次，利用制備好的電極掩膜版進(jìn)行曝光處理，然后顯影；磁控檢測(cè)10nm厚的金膜；對(duì)光刻膠進(jìn)行去除，制備成齒狀的金電極，如圖3。
[0034]3、將附有石墨烯的石英片通過(guò)折射匹配液貼合到棱鏡上。
[0035]使用本發(fā)明基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器時(shí)，在齒狀電極上連接需要檢測(cè)的器件即可。
[0036]本發(fā)明基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器的效果檢測(cè)試驗(yàn):
[0037]1、對(duì)于TE和TM模式的入射偏振光，探測(cè)面積在lcm*0.5cm范圍內(nèi)，對(duì)光的吸收依賴于入射角度和偏振模式，其中對(duì)于TE模式的吸收要強(qiáng)于TM模式的吸收。此外，當(dāng)石墨烯上層貼附上PDMS (折射率1.41)后，臨界角增大至75度，相應(yīng)的吸收也均有所提高，見圖2。
[0038]2、本發(fā)明基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器對(duì)于入射532nm的激光的響應(yīng)，見圖4，隨著電極間偏壓的增加，光電響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。對(duì)于IV的偏壓，當(dāng)入射光功率從I到12mff變化時(shí)，對(duì)TM模式光產(chǎn)生了 2.1mA/ff的響應(yīng)，對(duì)TE模式光產(chǎn)生了 12.48mA/ff的響應(yīng)。
[0039]3、本發(fā)明基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨稀光電探測(cè)器從350nm到1550nm寬的光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出了增強(qiáng)的光吸收和光電響應(yīng)，如圖5所示，在寬的光譜范圍內(nèi)，TE模式的光有著比TM模式更強(qiáng)的吸收和光電響應(yīng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于自上而下依次是表面電極、石墨烯層、玻璃片、折射率匹配液、棱鏡，利用棱鏡將入射光入射到石墨烯上，當(dāng)入射光入射角度大于全內(nèi)反射臨界角時(shí)在玻璃片和石墨烯界面處發(fā)生全內(nèi)反射。在全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)下，石墨烯對(duì)光的吸收具有顯著的增強(qiáng)和偏振依賴性，從而增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的光電響應(yīng)，并具有明顯的偏振依賴性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于所述的石墨烯為化學(xué)氣相沉積制備的石墨烯、氧化還原制備的石墨烯、或機(jī)械剝離法制備的石墨烯。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于所述的表面電極為金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、鉑和鋁中的一種或者幾種的復(fù)合電極。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于所述的折射率匹配液是用于將棱鏡和玻璃片相貼合，并優(yōu)化兩者貼合時(shí)由于折射率變化帶來(lái)的光傳播變化。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于所述的全內(nèi)反臨界角取決于玻璃片的折射率和石墨烯上層環(huán)境的折射率的共同作用。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器，其特征在于所述的光電響應(yīng)依賴于入射角的變化和入射光偏振的變化。7.制備如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)器的方法，其特征在于包括如下步驟:(I)將石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的玻璃上；(2)再在石墨烯層上制作表面電極；(3)通過(guò)折射率匹配液將覆蓋有石墨烯的玻璃片貼附到棱鏡上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測(cè)及其制備方法，該探測(cè)器自上而下依次是表面電極、石墨烯層、玻璃片、折射率匹配液、棱鏡，入射光通過(guò)棱鏡在玻璃片與石墨烯層的界面發(fā)生全內(nèi)反射。它的制備方法包括如下步驟：將石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的玻璃上，再在石墨烯層上制作表面電極；通過(guò)折射率匹配液將覆蓋有石墨烯的玻璃片貼附到棱鏡上。本發(fā)明通過(guò)全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)下的光與石墨烯相互作用，可以實(shí)現(xiàn)大面積石墨烯光電探測(cè)，在寬的光譜范圍內(nèi)增強(qiáng)石墨烯的光電響應(yīng)，并保留了石墨烯快的光電響應(yīng)速度，同時(shí)對(duì)不同偏振的入射其光電響應(yīng)著明顯的偏振依賴性。
【IPC分類】H01L31/09, H01L31/18, H01L31/0232
【公開號(hào)】CN105226127
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510654191
【發(fā)明人】劉智波, 辛巍, 邢飛, 陳旭東, 田建國(guó)
【申請(qǐng)人】南開大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月12日