多層石墨烯光電傳感器的製作方法

2023-10-10 07:08:59

本實用新型涉及一種傳感器，具體涉及一種多層石墨烯光電傳感器。

背景技術：

光電傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用於檢測直接引起光量變化的非電物理量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。新的光電器件不斷湧現，為光電傳感器的進一步應用開創了新的一頁。

石墨烯是一種由碳原子形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準二維材料，所以又叫做單原子層石墨。它的厚度大約為0.335nm，根據製備方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大約1nm左右，是除金剛石以外所有碳晶體的基本結構單元。石墨烯目前最有潛力的應用是成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代矽，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常緻密，即使是最小的氣體分子也無法穿透。這些特徵使得它非常適合作為透明電子產品的原料。

目前石墨烯在光電傳感器上的應用已經被廣泛研究，但其中的潛力並沒有被完全挖掘出來，因此基於石墨烯的光電傳感器，尤其是與其它材料相結合的光電傳感器還有很大的開發空間，在該領域還有很多值得發現和尋找的各種結構或結構與材料組合的光電傳感器。

技術實現要素：

本實用新型提供一種新型結構的基於多層石墨烯光電傳感器，它能夠加速載流子的收集，充分利用照射到的光，使得傳感器的靈敏度得到很大的提升。

本實用新型所採用的技術方案是：一種多層石墨烯光電傳感器，其特徵在於，包含：基板，所述基板為絕緣性基板；多個石墨烯層，所述多個石墨烯層分為多個奇數層石墨烯和多個偶數層石墨烯，其中所述偶數層石墨烯與下一層的奇數層石墨烯之間形成有錫化鍺層，所述偶數層石墨烯與上一層的奇數層石墨烯之間形成有矽化鍺層；所述多個奇數層石墨烯的位置在垂直方向上投影重疊，所述多個偶數層石墨烯的位置也在垂直方向上投影重疊，所述奇數層石墨烯和偶數層石墨烯在水平方向上交錯設置，且所述錫化鍺層和所述矽化鍺層只在交錯位置上形成；所述奇數層石墨烯和所述偶數層石墨烯中的非交錯位置部分分別形成金屬電極。

進一步地，一個所述奇數層石墨烯、該奇數層石墨烯上的錫化鍺層、該錫化鍺層上的偶數層石墨烯和該偶數層石墨烯上的矽化鍺層作為一個周期單元，所述周期單元的周期數為5-50。

進一步地，所述錫化鍺層的厚度範圍為20-150nm，所述矽化鍺層的厚度範圍為30-120nm。

進一步地，所述石墨烯層的層數為1-5層。

進一步地，所述石墨烯層的表面還形成有矽量子點或碳量子點。

進一步地，所述基板為柔性襯底。

進一步地，所述石墨烯層還可以是氮、磷或砷摻雜的石墨烯。

進一步地，所述金屬電極的金屬材料選自下列材料：銀、銅、鈀、鋅、鉑或者金。

本實用新型的有益效果在於：本實用新型提供了一種新穎的基於石墨烯的光電傳感器，在石墨烯層之間交替分別形成錫化鍺層和矽化鍺層，由於石墨烯層的導電性，使得錫化鍺層和矽化鍺層中產生的載流子能夠立即通過石墨烯傳導至金屬電極，並且交替設置的錫化鍺層和矽化鍺層經光照能夠在結構中產生了內建電場，進一步加速了載流子的收集，另外多層結構更能充分利用照射到的光，使得傳感器的靈敏度得到了很大的提升。

附圖說明

圖1為本實用新型多層石墨烯光電傳感器的結構示意圖；圖2為本實用新型一個實施例的結構示意圖；圖3為本實用新型另一個實施例的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

需要說明的是，為了能夠清晰地體現具體結構，雖然在附圖中各個層在圖中是分離的，但這僅僅是為了更直觀的表明各個層之間的關係，本領域技術人員能夠知曉本實用新型最終的狀態。

參見圖1，本實用新型提供一種多層石墨烯光電傳感器10，包含：基板1，所述基板為絕緣性基板；多個石墨烯層，所述多個石墨烯層分為多個奇數層石墨烯2和多個偶數層石墨烯3，其中所述偶數層石墨烯3與下一層的奇數層石墨烯2之間形成有錫化鍺層4，所述偶數層石墨烯3與上一層的奇數層石墨烯2之間形成有矽化鍺層5；所述多個奇數層石墨烯2的位置在垂直方向上投影重疊，所述多個偶數層石墨烯3的位置也在垂直方向上投影重疊，所述奇數層石墨烯2和偶數層石墨烯3在水平方向上交錯設置，且所述錫化鍺層4和所述矽化鍺層5隻在交錯位置上形成；所述奇數層石墨烯2和所述偶數層石墨烯3中的非交錯位置部分分別形成金屬電極6，即多個奇數層石墨烯2不形成錫化鍺層4或矽化鍺層6的地方用於連接一金屬電極6，同樣地多個偶數層石墨烯3也在不形成功能層的地方連接至金屬電極6，錫化鍺層或矽化鍺層通過掩模法進行沉積，而石墨烯層則可以預先在銅基底上製備完成，然後轉移至對應的層上。

一個所述奇數層石墨烯2、該奇數層石墨烯上的錫化鍺層4、該錫化鍺層4上的偶數層石墨烯3和該偶數層石墨烯3上的矽化鍺層6作為一個周期單元，所述周期單元的周期數為5-50，圖1中示出了周期單元的周期數為5的多層石墨烯光電傳感器。

所述錫化鍺層的厚度範圍為20-150nm，所述矽化鍺層的厚度範圍為30-120nm，通過具體的實驗發現，錫化鍺層或者矽化鍺層的厚度不能太厚也不能太薄，太薄時的光電轉換率極低，而太厚時，本實用新型中使用的光電傳感器相對於單一的矽化鍺或錫化鍺光電傳感器並沒有特別的優勢。

所述石墨烯層的層數為1-5層，石墨烯層的厚度保持在1-5層時有較好的效率，這可能是1-5層的石墨烯載流子傳導效率最高。

所述石墨烯層的表面還形成有矽量子點或碳量子點，通過實驗比較了使用矽量子點或碳量子點的加入與否能否增大效率，最終發現加入矽量子點或者碳量子點能夠進一步提升光電傳感器的效率，這可能的原因是矽量子點或碳量子點展寬的能級便於載流子的聚集，從而提高收集效率。

所述基板為柔性襯底，柔性襯底包括PET襯底或PI襯底，通過使用柔性襯底，能夠使本實用新型的多層石墨烯光電傳感器的適用範圍更廣，且結合石墨烯的柔性可以使得本實用新型的光電傳感器成為柔性傳感器。

所述石墨烯層還可以是氮、磷或砷摻雜的石墨烯。

實施例1：參見圖2，本實施例提供一種多層石墨烯光電傳感器，包含：基板，所述基板為絕緣性基板，選用PET襯底；多個氮摻雜石墨烯層，所述多個石墨烯層分為多個奇數層氮摻雜石墨烯21和多個偶數層石墨烯31，其中所述偶數層氮摻雜石墨烯31與下一層的奇數層氮摻雜石墨烯21之間形成有錫化鍺層4，所述偶數層氮摻雜石墨烯31與上一層的奇數層氮摻雜石墨烯21之間形成有矽化鍺層5；一個所述奇數層氮摻雜石墨烯21、該奇數層氮摻雜石墨烯21上的錫化鍺層4、該錫化鍺層4上的偶數層氮摻雜石墨烯31和該偶數層氮摻雜石墨烯31上的矽化鍺層5作為一個周期單元，所述周期單元的周期數為10。

所述錫化鍺層4的厚度為20nm，所述矽化鍺層5的厚度為30nm。

所述石墨烯層的層數為單層石墨烯，所述石墨烯層的表面還形成有矽量子點（圖中未示出）。

實施例2：參見圖3，本實施例提供一種多層石墨烯光電傳感器，包含：所述多個石墨烯層分為多個奇數層石墨烯2和多個偶數層石墨烯3，其中所述偶數層石墨烯3與下一層的奇數層石墨烯2之間形成有錫化鍺層4，所述偶數層石墨烯3與上一層的奇數層石墨烯2之間形成有矽化鍺層5；所述多個奇數層石墨烯2的位置在垂直方向上投影重疊，所述多個偶數層石墨烯3的位置也在垂直方向上投影重疊，所述奇數層石墨烯2和偶數層石墨烯3在水平方向上交錯設置，且所述錫化鍺層4和所述矽化鍺層5隻在交錯位置上形成；一個所述奇數層石墨烯2、該奇數層石墨烯上的錫化鍺層4、該錫化鍺層4上的偶數層石墨烯3和該偶數層石墨烯3上的矽化鍺層6作為一個周期單元，所述周期單元的周期數為8。

所述錫化鍺層4的厚度為150nm，所述矽化鍺層5的厚度為120nm。

所述石墨烯層的層數為5層，所述石墨烯層的表面還形成有碳量子點（圖中未示出）。

所述基板1為柔性襯底，選擇使用PI襯底。

所述石墨烯層選擇為磷摻雜的石墨烯，磷摻雜石墨烯可以通過在PECVD製備石墨烯時引入磷源從而進行摻雜，也可以是製備完成石墨烯後在磷氣氛下進行等離子體處理從而進行摻雜。

所述金屬電極的金屬材料選自下列材料：銀、銅、鈀、鋅、鉑或者金。

本實用新型提供了一種新穎的基於石墨烯的光電傳感器，在石墨烯層之間交替分別形成錫化鍺層和矽化鍺層，由於石墨烯層的導電性，使得錫化鍺層和矽化鍺層中產生的載流子能夠立即通過石墨烯傳導至金屬電極，並且交替設置的錫化鍺層和矽化鍺層經光照能夠在結構中產生了內建電場，進一步加速了載流子的收集，另外多層結構更能充分利用照射到的光，使得傳感器的靈敏度得到了很大的提升。

附圖中描述位置關係的用於僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制，顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型權利要求的保護範圍之內。