一种PtSx高性能光电器件及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种PtSx高性能光电器件及其制备方法和应用 (PtSxHigh-performance photoelectric device and preparation method and application thereof ) 是由 张宇 韩琳 张云红 王彦皓 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种PtS-(x)高性能光电器件及其制备方法和应用,包括由下自上依次生长的基底、PtS-(x)薄层、两个电极,所述基底的上表面生长有所述PtS-(x)薄层,所述PtS-(x)薄层的上表面设有所述两个电极,1≤x≤2,PtSx薄层通过化学气相沉积法,利用硫化氢气体、氢气和氩气的混合气体,在高温条件下硫化图形化金属铂薄层获得。光电器件通过图形化金属硫化和电极沉积工艺制备,可大面积制备PtS-(x)薄膜和光电器件。本发明所公开的光电器件具有宽光电响应窗口,光电性能高,稳定好,检测灵敏度高,超高的外量子效率,制作简单,成本低,在光电子器件、气体传感器和电子器件领域具有极大的应用潜力。(The invention relates to a PtS x A high-performance photoelectric device comprises a substrate and PtS sequentially grown from bottom to top x A thin layer, two electrodes, the PtS grown on the upper surface of the substrate x Thin layer of said PtS x The upper surface of the thin layer is provided with the two electrodes, x is more than or equal to 1 and less than or equal to 2, and the PtSx thin layer is communicated withAnd (3) carrying out chemical vapor deposition, and vulcanizing the patterned metal platinum thin layer under a high-temperature condition by using a mixed gas of hydrogen sulfide gas, hydrogen and argon. The photoelectric device is prepared by the graphical metal vulcanization and electrode deposition process, and the PtS can be prepared in large area x Thin films and optoelectronic devices. The photoelectric device disclosed by the invention has a wide photoelectric response window, high photoelectric performance, good stability, high detection sensitivity, ultrahigh external quantum efficiency, simple manufacture and low cost, and has great application potential in the fields of photoelectric devices, gas sensors and electronic devices.)
技术领域
本发明涉及一种光电器件，特别涉及一种PtSx高性能光电器件及其制备方法和应用。
背景技术
硫化铂薄膜材料和器件作为近年来新兴的二维材料和器件之一，一直受到研究人员的关注。由于其禁带宽度可依据其厚度调整，宽的光谱响应，超灵敏的气体响应和在空气中超级稳定的材料特性，在光电器件、气体探测和电子信息领域的应用前景深远，并且其生长过程比较简单，拥有更高的稳定性，因此受到了广泛的关注。目前，高质量的硫化铂晶体受限于其晶体尺寸和价格，大大限制了其开发和应用快速进展。
为了快速推进硫化铂材料和器件的快速发展和应用，研究者们多采用蒸发硫粉形成硫蒸气来对金属铂进行硫化形成二硫化铂薄膜或一硫化铂薄膜，但该方法制备硫化铂薄膜的质量较差，而且效率较低，制备的硫化铂材料和器件的性能较差，大大影响其应用。因此，开发一个高性能、高稳定性、低成本可大面积制备的硫化铂光电器件在航空航天、海洋以及民用领域具有重大的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种PtSx高性能光电器件及其制备方法，本发明通过利用硫化氢、氢气和氩气混合气体代替硫粉来制备硫化铂材料和器件，不但提高了硫化铂薄膜和器件的性能，而且提高硫化铂薄膜材料和器件的制备效率。达到了大面积制备，成本低、制作简单，并且具有响应光谱宽、提高光电响应和超稳定性的目的。
本发明还提供了上述PtSx高性能光电器件的应用。
术语解释：
1、化学气相沉积法，在特定条件下腔体内的气体与气体，或气体与固体反应生成一种或几种新的物质的制备方法
2、硫化，通过含硫的气体与其他物质反应生成新的硫化物的过程。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种PtSx高性能光电器件，包括由下自上依次生长的基底、PtSx薄层、两个电极，所述基底的上表面生长有所述PtSx薄层，所述PtSx薄层的上表面设有所述两个电极，1≤x≤2。
根据本发明优选的，所述PtSx薄层的材质为PtS2和PtS的复合物。
根据本发明优选的，所述PtSx薄层的厚度为1-30nm；
进一步优选的，所述PtSx薄层的厚度为3-11nm；
最优选的，所述PtSx薄层的厚度为11nm。
根据本发明优选的，所述光电器件的光谱响应范围200-1500nm。
根据本发明优选的，所述基底为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
根据本发明优选的，所述两个电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极为Ti/Au组合电极、Ti/Al/Ni/Au组合电极、Ti/Al/Pt/Au组合电极中的任一种，所述第二电极为Ti/Au组合电极、Ti/Al/Ni/Au组合电极、Ti/Al/Pt/Au组合电极中的任一种。
上述PtSx高性能光电器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)Pt沉积：在基底表面沉积一层图形化金属铂薄层；
(2)硫化：通过化学气相沉积法，利用硫化氢气体、氢气和氩气的混合气体，在高温条件下，硫化图形化金属铂薄层，高温条件是指不低于150℃的温度条件；
(3)自然冷却：自然降温形成PtSx薄层；
(4)电极沉积：通过掩膜版设计两个电极的样式和沟道的长度，并通过电子束蒸发的方式在每个图形化的PtSx薄层上制备两个电极，形成PtSx高性能光电器件。
根据本发明优选的，步骤(2)中，硫化氢气体、氢气和氩气的混合气体中，硫化氢气体为60sccm，氢气为20sccm，氩气为60sccm。
根据本发明优选的，步骤(2)中，在400-700℃下，硫化图形化金属铂薄层。
最优选的，步骤(2)中，在700℃下，硫化图形化金属铂薄层。
根据本发明优选的，步骤(2)中，硫化时间为30-180min。
根据本发明优选的，步骤(1)中，通过掩膜版设计图形化金属铂薄层图形，并通过电子束蒸发的方式在基底上沉积1-10nm金属铂，形成图形化金属铂薄层；
进一步优选的，通过电子束蒸发的方式在基底上沉积1-5nm金属铂。
根据本发明优选的，将蓝宝石在丙酮中超声清洗10分钟后，用乙醇及去离子水交替清洗3次，得到所述基底。
根据本发明优选的，步骤(4)中，两个电极为通过电子束蒸发形成的Ti/Au电极或Cr/Au电极。
上述PtSx高性能光电器件的应用，将第一电极和第二电极之间的PtSx薄层设定为光照区域，进行光检测，或作为气体探测器使用。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在材料生长时采用图形化设计，实现了工艺简单的光电器件的大面积制作；
(2)本发明利用二硫化铂和一硫化铂混合薄层优异的光电子特性，所制备的光电器件有高的响应度(0.31A/W)，宽光谱响应度(紫外到红外范围)，低的光探测率(9.17x109Jones)，超稳定的特性(一年在空气中存储光电响应降低仅为26％)；
(3)本发明PtSx薄层通过在高温下硫化氢气体、氢气和氩气的混合气体硫化蒸镀在基底表面的金属铂薄层形成，PtSx薄膜有PtS2和PtS的混合物组成，且PtSx在一次生长形成。从而提高了材料和器件的性能；
(4)本发明的PtSx高性能光电器件具有成本低、性能高、制作工艺简单、检测光谱范围宽的优点，在光电子器件、气体检测和电子信息等领域具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明一种PtSx高性能光电器件示意图；
图2为本发明一种PtSx高性能光电器件制备流程示意图；
图3为本发明光电器件的PtSx材料特性分析结果图；
图4为本发明光电器件在相同光功率照射下的不同PtSx厚度下光电流对比图；
图5a为本发明光电器件在不同光功率照射下的光电流对比图；
图5b本发明光电器件在不同电压下的光电流对比图；
图6为本发明光电器件在不同波长下光电流大小图；
图7为本发明光电器件和其他光电器件的探测率(D*)、响应度(R)和外量子效率(EQE)在不同光功率下的变化曲线对比图；
图8为本发明光电器件长期稳定性的对比图。
其中，1、基底；2、PtSx薄层；3、第一电极；4、第二电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种PtSx高性能光电器件，如图1所示，包括由下自上依次生长的基底1、PtSx薄层2、两个电极，基底1的上表面生长有PtSx薄层2，PtSx薄层2的上表面设有两个电极，1≤x≤2。
PtSx薄层2的材质为PtS2和PtS的复合物。一次生长形成。
PtSx薄层2的厚度为1-30nm；
光电器件的光谱响应范围200-1500nm。
基底1为蓝宝石或氮化镓或碳化硅。
两个电极包括第一电极3和第二电极4，第一电极3为Ti/Au组合电极、Ti/Al/Ni/Au组合电极、Ti/Al/Pt/Au组合电极中的任一种，第二电极4为Ti/Au组合电极、Ti/Al/Ni/Au组合电极、Ti/Al/Pt/Au组合电极中的任一种。两个电极的作用和功能相同，可互换。
实施例2
根据实施例1所述的一种PtSx高性能光电器件，其区别在于：
PtSx薄层2的厚度为3-11nm；基底1为蓝宝石。
实施例3
根据实施例1所述的一种PtSx高性能光电器件，其区别在于：
PtSx薄层2的厚度为11nm。
厚度为11nm的PtSx薄层2条件下，光电器件光电性能得到大幅度提升，具备宽光谱响应度(紫外到红外范围)、低的光探测率(9.17x109 Jones)以及超稳定的特性(一年在空气中存储光电响应降低仅为26％)，在硫化铂光电器件中性能较为出色。
实施例4
实施例1-3任一所述的PtSx高性能光电器件的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
(1)Pt沉积：通过掩膜版设计图形化金属铂薄层图形，并通过电子束蒸发的方式在基底1上沉积1-10nm金属铂，形成图形化金属铂薄层；其中，将c面蓝宝石在丙酮中超声清洗10分钟后，用乙醇及去离子水交替清洗3次，得到基底1。
(2)硫化：通过化学气相沉积法，利用硫化氢气体、氢气和氩气的混合气体，硫化氢气体为60sccm，氢气为20sccm，氩气为60sccm。在400-700℃下，硫化图形化金属铂薄层；硫化时间为30-180min。
(3)自然冷却：自然降温形成PtSx薄层2；
(4)电极沉积：通通过掩模版设计两个电极的样式和大小，并通过电子束蒸发的方式在每个图形化的PtSx薄层2上制备两个电极，形成PtSx高性能光电器件。两个电极为通过电子束蒸发形成的Ti/Au电极或Cr/Au电极。
对该实施例制得的PtSx高性能光电器件进行性能测试，电路连接如图1所示，V代表第一电极3和第二电极4之间的电压，结果分析如下：
本发明的光电器件的PtSx材料特性分析如图3所示，横坐标为元素核外电子的能级能量，纵坐标为能量的强度，可以分析出元素不同能级含量的多少。由图3可知，制备的PtSx薄层2为一硫化铂和二硫化铂的复合物的成分分析。
本发明的光电器件在相同光功率照射下的不同PtSx厚度下光电流对比如图4所示，横坐标是指时间，纵坐标是指光电流。随着PtSx薄层2厚度增加光电器件在相同光功率照射下的光响应强度增加。
如图5a所示的是该光电器件在不同光强照射下光电流对比图，以及图5b所示的是该光电器件在不同外加电压V的情况下的光电流对比图，从上述两个图中可以看出：当V＝5V时，在不同光强的条件下均可以获得一个较为明显的光电流，且光电流随着光强的增加而增加；同样，在固定光强条件下，在V大于0的条件下均可以获得一个较为明显的光电流，随着外加电压的增加光电流不断增加。
如图6所示，是该光电器件在405nm、532nm和660nm波长下均具有良好的光电响应。
如图7所示，是该光电器件的探测率(D*)、响应度(R)和外量子效率(EQE)在不同光功率下的变化曲线，以及和其他衬底上制备的光电器件对比图，从该图可以看出，随着光照强度的减小，D*、R、EQE均有所增加。
如图8所示，制备的PtSx光电器件，在为封装的情况下，在空气中保存1年后，光电响应性能仍保持原有性能的74％。
实施例5
根据实施例4所述的PtSx高性能光电器件的制备方法，其区别在于：通过电子束蒸发的方式在基底1上沉积1-5nm金属铂。
步骤(2)中，在700℃下，硫化图形化金属铂薄层。
实施例6
实施例1-5任一所述的PtSx高性能光电器件的应用，将第一电极3和第二电极4之间的PtSx薄层2设定为光照区域，进行光检测，或作为气体探测器使用。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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