基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件及其制法

本发明属于光电探测及发光领域，具体涉及一种基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件及其制法。

背景技术：

1、能带调控工程在促进高效电子转移和提高异质结构中光电子器件的效率，同时优化电子结构和能级对准方面表现出显著优势。在二维范德华异质结构中，传统的能带对准手段存在晶格畸变、材料不稳定性和复杂的实验条件等缺点。相比之下，合金化通过允许改变电子特性、调整能级和优化能带排列，在二维能带排列工程中显示出显著的优势。尽管二维范德华异质中的连续和大规模带隙工程对于构建高性能或多功能光电器件至关重要，但目前关于带隙调制的报道主要集中在调制范围有限的单带或双频带类型上。此外，对能带排列变化过程中的各种光电现象缺乏系统的研究。因此，实现从i型到iii型的带隙工程仍然是一项具有挑战性的任务。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件，响应度和比探测率高，响应速度快；本发明的另一个目的是提供上述光电器件的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的一种基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)利用化学气相沉积生长制备异质结衬底材料wse2纳米片：将wse2前驱体置于双温区管式炉内部，并且在管式炉下游放置sio2/si衬底制备成单层wse2纳米片；

4、(2)利用化学气相沉积法制备合金bi2te3-xsex，将bi2se3前驱体和bi2te3前驱体按摩尔比例混合放入双温区中心加热，将步骤(1)中获得的衬底材料wse2纳米片置于管内下游，通过调控管式炉生长温度气体等参数制备wse2/bi2te3-xsex(0≤x≤3)异质结，再在所述异质结表面沉积金属电极。

5、进一步的，步骤(2)中，bi2se3前驱体和bi2te3前驱体的摩尔比例为3：0-0:3。

6、进一步的，步骤(1)中，衬底为预超声处理的表面氧化层厚度为300nm硅衬底。

7、进一步的，步骤(1)中，前驱体中的wse2总含量不得超过100mg，并且wse2纳米片的厚度为单层。

8、进一步的，步骤(1)中，管式炉需要先用氩气进行吹扫，随后减小氩气气体流量，升高管式炉温度并保持一段时间，结束后等待自然降温。

9、更进一步的，步骤(1)中，管式炉需要先用800立方厘米/分钟的氩气进行5分钟吹扫，随后氩气气体流量进一步降低至110立方厘米/分钟，同时将管式炉温度在50分钟内提高至1150℃并保持5分钟，结束后等待自然降温。

10、进一步的，步骤(2)中所述前驱体中的bi2se3和bi2te3总含量不得超过20mg。

11、更进一步地，步骤(2)中，管式炉需要先用800立方厘米/分钟的氩气进行5分钟吹扫，随后氩气气体流量进一步降低至70立方厘米/分钟并通入流量5立方厘米/分钟的氢气，同时将管式炉温度在30分钟内提高至680℃并保持3分钟，结束后等待自然降温，并且合金bi2te3-xsex的厚度为5层。

12、进一步的，步骤(2)中，wse2纳米片放置位置距离管式炉内部加热核心区域10-20cm范围内。

13、进一步的，步骤(1)和(2)中，管式炉制备异质结时通气方向在加热降温过程为逆向，生长过程为正向。

14、进一步的，步骤(2)中，金属电极厚度为5nm-200nm，材质为金、镍、钛中的一种或多种组合。

15、二维垂直范德华异质结构由于其独特的原子尺度结构和量子限制效应，在精确控制和操纵界面处的能带排列方面提供了明显的优势。合金化工程是构建具有特定能带结构的二维材料的有效方法，它提供了改变电子性质、调节能级和优化界面处能带排列的机会。连续能带匹配的范德华异质结由于其动态可调谐的带匹配机制在制备高灵敏高响应快速光电探测方向具有优势，同时可以极大提高光发射效率。因此在二维光电探测以及发光器件领域本发明这种wse2/bi2te3-xsex(0≤x≤3)异质结器件具有广阔的应用前景。

16、本发明的一体化制备连续能带调控的异质结调控范围广，制备出的光电探测器件在激光波长为535nm的探测性能优异并且稳定重复性高；且在相同波长光激发下响应度和比探测率较高(x＝3)，响应时间较短(x＝0)。制备出的发光二极管器件在单个二维异质结构发光二极管器件中表现出最高的亮度，并且比基于二维过渡金属硫族化合物的所有其他p-n二极管具有更高的电致发光量子效率。本发明对基本能带对准原理在未来光电子器件的设计和制造中的应用和扩展提供了宝贵的参考，具有易于集成的优势以及在集成电路中芯片间的数据信息传递具有非常大的前景。

17、有益效果：通过实施化学气相沉积方法实现了wse2/bi2te3-xsex(0≤x≤3)中能带排列的调节。实验和理论结果的结合证明，合成的二维范德华异质结可以从i型(wse2/bi2te3)逐渐调谐到iii型(wse2/bi2se3)。当能带排列从i型变为iii型时，基于二维范德华异质结的光电探测器的显著响应率为(58.12a/w)和显著探测率(2.91×1012jones)(在i型中)，超快光响应时间(在iii型中)为3.4μs。此外，在室温下，基于iii型vdwh的led在单个异质结构二维发光二极管中表现出最高的亮度，并且比基于二维过渡金属硫族化合物的所有其他p-n二极管具有更高的电致发光效率，这可归因于带对准诱导的不同界面电荷注入行为。这项工作对基本能带对准原理在未来光电子器件的设计和制造中的应用和扩展提供了宝贵的参考。

技术特征：

1.一种基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，bi2se3前驱体和bi2te3前驱体的摩尔比例为3：0-0:3。

3.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，衬底为超声预处理的硅衬底，且硅衬底具有表面氧化层。

4.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，wse2总含量不超过100mg，并且制备所需wse2纳米片的厚度为单层。

5.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，管式炉需要先用氩气进行吹扫，随后减小氩气气体流量，升高管式炉温度并保持一段时间，结束后等待自然降温。

6.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，bi2se3和bi2te3总含量不得超过20mg。

7.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，wse2纳米片放置位置距离管式炉内部加热核心区域10-20cm范围内。

8.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)和/或(2)中，管式炉的通气方向在加热降温过程为逆向，生长过程为正向。

9.根据权利要求1所述的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，金属电极厚度为5nm-200nm，材质为金、镍、钛中的一种或多种组合。

10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备得到的基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件。

技术总结本发明公开了一种基于二维异质结的连续宽范围能带调控光电器件及其制备方法，包括以下步骤：(1)利用化学气相沉积生长制备异质结衬底材料WSe<subgt;2</subgt;纳米片：(2)将Bi<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;或者Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;前驱体以特定摩尔比例混合放入双温区管式炉中心加热，将步骤(1)中获得的衬底材料WSe<subgt;2</subgt;纳米片置于管内下游，通过调控管式炉生长温度气体等参数制备WSe<subgt;2</subgt;/Bi<subgt;2</subgt;Te<subgt;3‑x</subgt;Se<subgt;x</subgt;(0≤x≤3)异质结，再在所述异质结表面沉积金属电极。本发明制备出的光电探测器件在激光波长为535nm的探测性能优异并且稳定重复性高；且在相同波长光激发下响应度和比探测率较高(x＝3)，响应时间较短(x＝0)。制备出的发光二极管器件在单个二维异质结构发光二极管器件中表现出最高的亮度，并且比基于二维过渡金属硫族化合物的所有其他p‑n二极管具有更高的电致发光量子效率。技术研发人员：吕俊鹏,倪振华,赵蓓,郭丁立,傅强受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17