一种基于二维二硫化钼‑二硫化铼异质结的光电子器件、制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种基于二维MoS2‑ReS2异质结的光电子器件，包括：N型本证衬底层；设置于所述N型本证衬底层上的绝缘层；设置于所述绝缘层上的MoS2层和ReS2层，所述MoS2层与所述ReS2层范德瓦尔斯接触，形成MoS2‑ReS2异质结；设置于所述ReS2层的第一金属过渡层，设置在所述MoS2层上的第二金属过渡层；以及，设置于所述第一过渡金属层和第二过渡金属层上的电极层；所述MoS2层为MoS2单晶层，所述ReS2层包括3～10层ReS2单晶层；所述第一金属过渡层的材料与多数第二金属过渡层的材料不同。还公开了一种制备上述光电子器件的方法。该光电子器件具有极低漏电流，高开关比，极强弱光探测性能。

说明书

技术领域

本发明属于光电子功能器件领域，具体涉及一种基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件及其制备方法。

背景技术

自2004年曼彻斯特大学安德烈·海姆教授机械剥离出石墨烯后，二维材料已经成为近十余年的研究热点；而由于石墨烯的零禁带特性限制了其在光电子领域的发展，此后类石墨烯的其他二维材料如雨后春笋，成为了近十余年的研究热点。

过渡金属硫族化合物(TMDCs)被发现拥有独特的电学和光学性质。相较于石墨烯，过渡金属硫族化合物不仅具有石墨烯本身的优异性质，最重要的是随层数不同可改变调控它的带隙(如MoS₂，在由块材向单层转变时会发生1.3eV间接带隙到1.8eV直接带隙的转变)，这一性质可用于光电探测、光伏领域，有望成为新一代光电子器件的二维平台，为后摩尔时代集成化电子器件的研究开辟了新的方向。

ReS₂作为一种特殊的过渡金属硫族化合物，具有强层内各向异性和弱层间耦合的特性，且不具备直接带隙转变特性，即直接带隙不随层数而改变。这意味着在保持类似二维材料的光伏特性的同时，能通过多层结构吸收更多的光，并获得更高的光增益，其机制来源于ReS₂中的缺陷态，相当于光电子的陷阱，已知ReS₂基光电探测器光电响应率高达88600A/W,比单纯硫化钼高出5000倍。但它也存在致命缺点，即载流子迁移率不够高，这直接表现为光电探测器的响应时间不够高。

二维材料异质结采用原子级厚的范德瓦尔斯异质结构，不受量子限域效应的制约，能确保在保证异质基元各自特性的同时，形成“1+1>2”的协同效应。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件及其制备方法，该光电子器件具有极低漏电流，高开关比，极强弱光探测性能。

本发明的一个实施方式提供了一种基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件，包括：

N型本证衬底层；

设置于所述N型本证衬底层上的绝缘层；

设置于所述绝缘层上的MoS₂层和ReS₂层，所述MoS₂层与所述ReS₂层范德瓦尔斯接触，形成MoS₂-ReS₂异质结；

设置于所述ReS₂层的第一金属过渡层，设置在所述MoS₂层上的第二金属过渡层；以及，

设置于所述第一过渡金属层和第二过渡金属层上的电极层；

所述MoS₂层为MoS₂单晶层，所述ReS₂层包括3～10层ReS₂单晶层；

所述第一金属过渡层的材料与多数第二金属过渡层的材料不同。

在本发明中，采用具有较强面内各向异性的ReS₂作为光吸收层，利用较强各向同性的MoS₂作为载流子传输层，两者产生协同效应，形成具有极低漏电流，高开关比的光电子器件，会在微弱信号探测领域有着重要的应用。

在本发明中，第一金属过渡层的材料与第二金属过渡层的材料不同，因两种材料的功函数不同，该两金属过渡层有利于形成更好地欧姆接触，可避免器件形成较大漏电流，因而极大地提高光电子器件的场效应迁移率。

作为优选，所述N型本证衬底材料为单晶硅片、蓝宝石、六方氮化硼石英或碲化铋。进一步优选，所述N型本证衬底为N型Si衬底，所述N型Si衬底的电阻率小于0.01Ω·cm，晶向为100，厚度为490μm～510μm。

作为优选，所述绝缘层的材料为SiO₂绝缘层，所述SiO₂绝缘层的厚度为280nm～320nm。

作为优选，所述ReS₂、MoS₂的纯度均在99.99％以上。所述MoS₂单晶层的厚度为0.8～1nm，所述ReS₂单晶层的厚度为2.1nm～4nm。

作为优选，所述第一金属过渡层和第二金属过渡层的材料为Ti或Cr。进一步优选，所述第一金属过渡层为Ti层，所述第二金属过渡层为Cr层。所述第一金属过渡层与所述第二金属过渡层的厚度均为5～10nm。

作为优选，所述电极层的材料为金、铬或钛。电极层的厚度为20～50nm。

本发明实施方式提供的光电子器件可用作光电探测器，由于该器件不仅可通过栅极电压被调控，同时对405nm的可见紫光具有良好的响应，因此，该光电子器件可用于光敏晶体管、可见光探测器、光控开关等。

本发明的另一实施方式提供一种基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)依次经丙酮、异丙醇、去离子水、O₂等离子体清洗衬底后，静置干燥得到衬底层；

(2)采用机械剥离法在所述衬底层上剥离得到单层MoS₂，得到MoS₂层；

(3)在PDMS上，采用机械玻璃法剥离3～5层ReS₂单晶，形成ReS₂层；

(4)采用干法转移技术将所述MoS₂层与所述ReS₂层形成范德瓦尔斯接触，得到MoS₂-ReS₂异质结；

(5)依次通过热处理、电子束曝光、刻蚀、标准热蒸发过程，在所述MoS₂上铺设过渡金属层和电极层，形成基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件。

在所述步骤(1)中，丙酮和异丙醇的清洗温度均为70～90℃，清洗时间均为2～8min；去离子水的清洗温度为70～100℃，清洗时间为2～8min；O₂等离子体的清洗时间为2～4min。

作为优选，所述步骤(5)的具体过程为：

(5-1)采用旋涂法在载有MoS₂-ReS₂异质结的衬底上旋涂一层PMMA后，于80～200℃下退火处理0.5～1.5h；

(5-2)对退火处理后的衬底于150～250℃下加热处理5～10min；

(5-3)采用电子束曝光方法对加热处理后的MoS₂层和ReS₂层表面曝光形成电极线；

(5-4)采用刻蚀方法洗去电极线上的PMMA；

(5-5)采用标准热蒸发法在刻蚀处理后的电极线上依次蒸镀过渡金属和金属，形成基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件。

优选地，所述在衬底上旋涂一层PMMA。旋涂参数设置为500～800转/分钟，持续5s，接着，2000～4000转/分钟，持续45～60s；整个旋涂步骤重复1～3次。

优选地，所述采用电子束曝光方法对加热处理后的MoS₂层和ReS₂层表面曝光形成电极线的具体过程为：

首先，通过电子束曝光系统，在异质结周围曝光若干标记mark，在MIBK/IPA显影液中浸泡20～40s后，在IPA中浸泡1～3min；

然后，通过软件进行曝光模板设计，设计所需电极，小电极(异质结周围120～240μm距离)宽度约为1～3μm，大电极(异质结周围1200～1800μm距离)宽度约为5～10μm，大电极终端为100μm×100μm的正方形，方便后续的测试；

最后，通过电子束曝光系统，将设计的电极曝光在MoS₂层和ReS₂层表面，形成电极线。

在在本发明提供的制备方法中，采用机械剥离法和干法转移法，确保了材料的单晶性和纯度，相较于湿法转移，工艺简单，设备要求低，污染性小，可重复率高，没有水等杂质分子对异质结接触产生影响，更有利于形成高性能，高开关比，低漏电流的光电子器件。

附图说明

图1是实施例提供的基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件的结构示意图；

图2是实施例1制备得到的MoS₂-ReS₂异质结的光学显微图；

图3为实施例1制得的光电子器件用作沟道层时，光电探测的输出特性曲线；

图4为实施例1制得的光电子器件用作沟道层时，光电探测的转移特性曲线；

图5是实施例2制备得到的MoS₂-ReS₂异质结的光学显微图；

图6为实施例2制得的光电子器件用作沟道层时，光电探测的输出特性曲线；

图7为实施例2制得的光电子器件用作沟道层时，光电探测的转移特性曲线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是实施例提供的基于二维MoS₂-ReS₂异质结的光电子器件的结构示意图。参见图1，该光电子器件包括：N型本证衬底层1、绝缘层2、MoS₂层3、ReS₂层4、第一金属过渡层5、第二金属过渡层6以及电极层7，MoS₂层3与ReS₂层4范德瓦尔斯接触，形成MoS₂-ReS₂异质结。

本实施例中，MoS₂层3为单层MoS₂单晶层，ReS₂层4为3～10层ReS₂单晶层。

实施例1

本实施例制备的光电子器件中，衬底为Si衬底，绝缘层为SiO₂绝缘层、第一金属过渡层为Cr金属过渡层、第二金属过渡层为Ti金属过渡层、电极层为Au电极。N型Si衬底电阻率为<0.01Ωcm，SiO₂绝缘层厚度为300nm。

具体制备过程为：

(1)选取热氧化硅片作为衬底，并将该硅片依次置于丙酮(80℃加热)、异丙醇(80℃加热)、去离子水(100℃加热)中分别清洗5min后，再利用O₂等离子体对其清洗3min，静止于干燥环境中保存；

(2)准备scotch tape，采用类似机械剥离石墨烯的方法在硅片上剥离单层MoS₂单晶，单层薄膜的平均直径约为5μm-30μm不等；

(3)准备PDMS(聚二甲基硅氧烷)，于载玻片上，将PDMS切成2mm×2mm的小方块后，在PDMS上剥离4层的ReS₂单晶，单层薄膜的平均直径大约为5μm-10μm不等；

(4)通过干法转移，将载玻片倒扣于显微镜物镜上，慢慢下降显微镜物镜直至MoS₂单晶与ReS₂单晶形成范德瓦尔斯接触，等待一定时间后，移开载玻片，形成ReS₂-MoS₂异质结，如图2所示；

(5)将转移成功的带有ReS₂-MoS₂异质结的硅片通过旋转涂覆法涂覆一层PMMA，旋涂参数设置为600转/分钟，持续5s，接着，3000转/分钟，持续60s；整个旋涂步骤重复3次；旋涂后在160℃下退火处理1h；

(6)对旋涂后的硅片进行热处理，即在250℃下加热10min；

(7)通过电子束曝光系统，在ReS₂-MoS₂异质结周围曝光若干标记mark，在MIBK/IPA显影液中浸泡30s，后在IPA中浸泡2min；

(8)通过软件进行曝光模板设计，设计所需电极，小电极(异质结周围240μm距离)宽度约为1μm，大电极(异质结周围1800μm距离)宽度约为10μm，大电极终端为100μm×100μm的正方形，方便后续的测试；

(9)通过电子束曝光系统，曝光其中铺设在ReS₂上的两条电极线，再通过(7)中的显影步骤洗去电极部分的PMMA；

(10)通过真空热蒸发在步骤(9)中显影后的电极上蒸镀10nmTi，再蒸镀30nmAu；

(11)重复步骤(8)、(9)，通过电子束曝光系统，曝光其中铺设在MoS₂上的两条电极线，再显影后的电极上蒸镀5nm>2-MoS₂异质结光电子器件原型。

本实施例制备的光电子器件用作沟道层的背栅式结构光电探测器，对该光电子器件的光电探测的输出特性和转移特性进行测试，测试结果如图3和图4所示。根据图3和图4，本实施例制备的光电子器件的场效应迁移率μ_FE＝2.0129cm²·V^-1·s^-1，暗场漏电流大小为4.1×10^-14A，405nm紫光照射下开电流为10^-7A，器件开关比-为2×10⁷，光响应度为5.467×10⁷A·W^-1。而暗场漏电流目前文献的平均值大概在10^-9-10^-13的范围内；开关比平均值在10⁵-10⁸的范围内，本方法处于中上水平；而光响应度平均值在10³-10⁷的范围内，本方法处于较高水平。故本方法包括下例中最大的优势在于极低的暗场漏电流和由暗电流决定的NEP(噪声等效功率)，非常适合弱信号下的光电探测。

实施例2

本实施例提供的光电子器件与实施例2制备的光电子器件基本相同，在制备过程中不同的是ReS₂层为10层ReS₂单晶薄膜，制备过程中的控制参数与实施1相同，制备得到的MoS₂-ReS₂异质结如图5所示。

本实施例制备的光电子器件同样用作沟道层的背栅式结构光电探测器，对该光电子器件的光电探测的输出特性和转移特性进行测试，测试结果如图6和图7所示。根据图6和图7，本实施例制备的光电子器件的场效应迁移率μ_FE＝0.15cm²·V^-1·s^-1，暗场漏电流大小为10^-13A，405nm紫光照射下开电流为5×10^-6A，器件开关比为10⁷，光响应度为1.427×10⁷A·W-1。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。