[發(fā)明專利]一種基于圖形化鐵電疇的石墨烯太赫茲波可調(diào)諧探測(cè)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010183235.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-16
• 公開（公告）號(hào): CN111370523B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃文;林霖;龔天巡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/10
• 分類號(hào): H01L31/10;H01L31/0216;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及一種基于圖形化鐵電疇的石墨烯太赫茲波可調(diào)諧探測(cè)器，包括基底：如半導(dǎo)體硅(Si)或氧化物鈦酸鍶(STO)、底電極：如鑭鍶錳氧(LSMO)、鐵電材料：如鐵酸鉍(BFO)或摻鉿的氧化鋯(HfZrO)、以及上層的二維材料：如石墨烯。發(fā)明提出的光電探測(cè)器，利用鐵電材料不同的極化方向引起二維材料電化學(xué)勢(shì)的差異，通過(guò)設(shè)計(jì)鐵電疇的形狀，改變鐵電疇的大小，利用表面等離子共振效應(yīng)，得到了一種能對(duì)光電探測(cè)器吸收波段進(jìn)行調(diào)控的、大面積的二維材料的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光電探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成、可在室溫下工作的優(yōu)點(diǎn)，并且還可以通過(guò)在納米尺度下簡(jiǎn)易且精確的改變鐵電疇從而對(duì)傳感器的響應(yīng)波段進(jìn)行調(diào)控。本發(fā)明提供的光電探測(cè)器可用于中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段。

方法領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電探測(cè)器。

背景方法

太赫茲是介于毫米波與紅外光之間的電磁波波譜區(qū)域，通常是指電磁波譜中頻率從100GHz到10THz(1THz＝10¹²Hz)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)從3毫米到30微米。在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間中，由于缺乏有效的太赫茲源和高靈敏度的探測(cè)器，這一頻段一度被稱為“太赫茲空白”。近年來(lái)，隨著納米科學(xué)領(lǐng)域和光電子學(xué)的不斷發(fā)展與革新，新型的太赫茲源和探測(cè)器不斷出現(xiàn)，以及太赫茲技術(shù)在安檢、成像、物質(zhì)鑒定等方面具有巨大的潛力，關(guān)于太赫茲的相關(guān)研究也得到重視。

二維材料是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度(1-100nm)上自由運(yùn)動(dòng)的材料，其中石墨烯是一種典型的二維材料。石墨烯是單層碳原子以蜂窩狀結(jié)構(gòu)排列的二維材料，因其在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等諸多方面存在優(yōu)異的性質(zhì)，引起了全球研究者的廣泛關(guān)注。石墨烯厚度僅為0.33nm，但與光有強(qiáng)的相互作用。未摻雜的石墨烯從近紅外到可見光具有一致的響應(yīng)，沒有在某個(gè)波段具有獨(dú)特的響應(yīng)，對(duì)垂直入射的光的吸收率約為2.3％。但是，石墨烯對(duì)光的絕對(duì)吸收率不高且對(duì)光的波段不具有選擇性。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提出一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的基于圖形化鐵電疇的二維材料太赫茲波探測(cè)器，以鐵酸鉍(BFO)作為鐵電材料、石墨烯作為二維材料的實(shí)例中，在遠(yuǎn)紅外到太赫茲波段具有響應(yīng)，且吸收波段可調(diào)。

本發(fā)明提供了一種基于鐵電材料和石墨烯的光電探測(cè)器，包括：

以鈦酸鍶(STO)為基底，以鑭鍶錳氧(LSMO)為底電極，利用外延法生長(zhǎng)一層BFO。

BFO為鐵電材料，利用壓電力顯微鏡(PFM)或水印法獲得具有特定形狀和大小的局域極化電疇。

單層石墨烯層，轉(zhuǎn)移至上述極化的鐵電材料BFO之上。

通過(guò)放置光源，即平面波，通過(guò)放置監(jiān)視器，用于計(jì)算石墨烯材料的透射率、反射率、吸收率、以及表面電場(chǎng)強(qiáng)度和光生載流子數(shù)量。

更具體地，鐵電材料以BFO為例，材料所使用的相關(guān)參數(shù)為Kumar等人所報(bào)道的參數(shù)。

更具體地，在模型中鐵電疇的表現(xiàn)形式為石墨烯電化學(xué)勢(shì)的變化，而鐵電疇大小的變化體現(xiàn)在不同電化學(xué)勢(shì)石墨烯的大小的不同。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1.本發(fā)明證明了石墨烯可以在特定的鐵電疇的影響下，體現(xiàn)出對(duì)某些波段具有響應(yīng)的特性。

2.本發(fā)明器件具有對(duì)吸收光可調(diào)控的特性，可以通過(guò)改變鐵電疇的形狀以及大小來(lái)調(diào)控器件的光吸收的特性，并且器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

3.本發(fā)明方法具有通用性，適用于所有鐵電材料的極化對(duì)石墨烯在光吸收方面的影響。

附圖說(shuō)明

圖1為仿真器件的結(jié)構(gòu)圖以及BFO疇的形狀和極化方向示意圖

圖2為在固定鐵電疇的大小的條件下，器件光吸收波段和吸收率隨石墨烯電化學(xué)勢(shì)變化的曲線