一種基於ZnSe薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法與流程
2023-06-21 05:28:21 1
本發明涉及光探測領域，確切地說是一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法。
背景技術：
隨著可穿戴技術的發展，對於由光探測器陣列組成的柔性圖像傳感器的需求變得越來越緊迫，尤其是在醫療和安全應用領域。圖像傳感器已經被廣泛應用於實際生活中，例如我們所熟悉的數位相機。然而，目前的圖像傳感器都是集成在矽基底上，矽的脆性導致其不具有柔性和可穿戴性。有機光敏材料被廣泛用於光探測器和圖像傳感器研究，它的優點是重量輕，成本低並且擁有較好的柔性。但是，在空氣中的不穩定性是它在被應用之前必須解決的一個難題。最近，基於一維納米結構陣列的柔性圖像傳感器的原型器件已經被實現，顯示了一維納米結構陣列在未來柔性圖像傳感器研究中所具有的潛力。然而，將隨機分布的一維納米結構排列成有序的一維納米結構陣列的過程，無可避免地對基於一維納米結構的大面積圖像傳感器的構築帶來極大限制。
石墨烯是一種由碳原子通過sp2雜化構成的單原子層二維材料，具有良好的導電性和柔性。此外，石墨烯的加工與傳統cmos電子學相兼容。基於上述諸多特性，我們認為石墨烯在柔性圖像傳感器研究中將會發揮重要作用。更重要的是，近年來大面積高性能石墨烯薄膜的生長和轉移技術得到長足發展，極大地推動了石墨烯的應用，尤其在透明電極領域。零帶隙單層石墨烯吸光度低的問題可以通過與具有直接帶隙的半導體薄膜相結合的方式加以解決。我們最近的工作以及其他團隊的工作都已經表明，在與半導體薄膜光敏材料形成異質結以後，具有超高載流子遷移率的石墨烯薄膜為半導體光敏材料的光生載流子提供了快速傳輸通道，從而使得響應度高達107a/w的高性能光探測器被實現。值得注意的是，半導體薄膜也是柔性的，並且製備和加工工藝與傳統cmos電子學相兼容。因此，半導體薄膜/石墨烯異質結可以被認為是構築柔性圖像傳感器的極佳選擇。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法
上述目的通過以下方案實現：
一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法，其特徵在於：包括以下步驟：
(1)利用化學氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯，然後，將質量分數為4.5-5.5％的溶於苯甲醚的pmma溶液旋塗在石墨烯/銅箔基底上，接著將旋塗有pmma的樣品置於加熱臺上165-175℃烘烤4-6分鐘，隨後，在通有空氣的等離子體機中刻蝕掉銅箔背面的石墨烯，再放置於fecl3溶液中刻蝕掉銅箔，在稀鹽酸和去離子水清洗後，用pet基底撈起支撐石墨烯的pmma膜，風乾後放入丙酮中浸泡4-6分鐘去除pmma；
(2)在石墨烯薄膜轉移到柔性的pet基底上後，利用掩膜板，在石墨烯/pet基底上沉積znse微米帶陣列，然後，通過掩模板使用電子束蒸發的方式在znse/石墨烯異質結上沉積cr/au作為源級和漏極，最後，在氧等離子體中刻蝕掉暴露出的石墨烯薄膜後，即成功地製備出基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器。
所述的一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法，其特徵在於：pmma型號為sigmaaldrich,#182265，分子量996k。
所述的一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法，其特徵在於：fecl3溶液濃度為1.8-2.2mol/l。
所述的一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法，其特徵在於：步驟（2）中在石墨烯/pet基底上沉積厚60nm，寬30μm的znse微米帶陣列。
所述的一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備方法，其特徵在於：步驟（2）中在znse/石墨烯異質結上沉積10nmcr/100nmau作為源級和漏極，其中溝道寬度為30μm。
本發明的核心思想是通過將大面積石墨烯薄膜的生長和轉移技術與半導體薄膜/石墨烯異質結光探測器相結合，從而實現4英寸大、100×50排列的基於znse薄膜/石墨烯異質結柔性圖像傳感器的構築。構築出的基於znse/石墨烯異質結光探測器有100ms的響應時間、2.6×105a/w的高響應度、8×1013jones的高靈敏度和1μw/cm2可探測的光強度。更重要的是，所發現的方法使構築的znse/石墨烯異質結光探測器陣列具有100%的器件產率。最終，znse/石墨烯異質結光探測器陣列可以被用作圖像傳感器，而且器件性能的均一性較好。
本發明的有益效果為：
(1)本方法構築的znse/石墨烯異質結光探測器陣列具有100%的器件產率；
(2)znse/石墨烯異質結光探測器陣列可以被用作柔性圖像傳感器，而且器件性能的均一性較好；
(3)工藝簡單，成本低廉，具有較好的實用價值。
具體實施方式
1.一種基於znse薄膜/石墨烯異質結的大面積柔性圖像傳感器的製備過程：
(1)石墨烯的生長和轉移：首先，利用化學氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯。然後，將配製質量分數為5％的溶於苯甲醚的pmma(sigmaaldrich,#182265，分子量996k)溶液旋塗在石墨烯/銅箔基底上，接著將旋塗有pmma的樣品置於加熱臺上170℃烘烤5分鐘。隨後，在通有空氣的等離子體機中刻蝕掉銅箔背面的石墨烯，再放置於2mol/lfecl3溶液中刻蝕掉銅箔。在稀鹽酸和去離子水清洗後，用pet基底撈起支撐石墨烯的pmma膜，風乾後放入丙酮中浸泡5分鐘去除pmma。
(2)器件構築：首先，在石墨烯薄膜轉移到柔性的pet基底上後，利用掩膜板，在石墨烯/pet基底上沉積厚60nm，寬30μm的znse微米帶陣列。然後，通過掩模板使用電子束蒸發的方式在znse/石墨烯異質結上沉積cr/au(10nm/100nm)作為源級和漏極，其中溝道寬度為30μm。最後，在氧等離子體中刻蝕掉暴露出的石墨烯薄膜後，即成功地製備出基於硒化鋅/石墨烯異質結柔性圖像傳感器。
2、測試方法：在室溫下，使用不同波長的led光源，利用半導體參數分析儀系統（keithley2636b）對znse/石墨烯異質結光探測器進行光響應測試。為了展示znse/石墨烯異質結光探測器陣列作為圖像傳感器的功能，以一束「t」字形的led光源照射在器件上，測量每個單獨的光探測器輸出的光電流，每個器件測量的光電流值生成二維平面圖。
構築出的基於znse/石墨烯異質結光探測器有100ms的響應時間、2.6×105a/w的高響應度、8×1013jones的高靈敏度和1μw/cm2可探測的光強度。更重要的是，所發現的方法使構築的znse/石墨烯異質結光探測器陣列具有100%的器件產率。最終，znse/石墨烯異質結光探測器陣列可以被用作圖像傳感器，而且器件性能的均一性較好。