石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器及制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器及制備方法。包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底之上的玻璃基波導(dǎo)、石墨烯薄膜和兩塊金屬電極，玻璃基波導(dǎo)呈條形位于玻璃襯底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波導(dǎo)中部，兩塊金屬電極相對稱地位于石墨烯薄膜的兩側(cè)，每塊金屬電極中一部分直接覆于玻璃襯底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上。本發(fā)明專利技術(shù)通過形成光電流信號來實現(xiàn)光電探測器的功能，電壓低，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，響應(yīng)度高，可應(yīng)用于集成光學(xué)，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于光電探測
，涉及光電探測器件結(jié)構(gòu)，特別涉及一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器及制備方法。
技術(shù)介紹
光電探測器作為接收裝置在光通信網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展和材料科學(xué)以及微納加工工藝水平的不斷提升，光電探測器朝著小體積、低成本、高性能的趨勢發(fā)展。玻璃具有極低的光損耗和易于加工等特性，使玻璃基片上集成光波導(dǎo)得以實現(xiàn)。玻璃基片離子交換技術(shù)制造的光波導(dǎo)屬于擴散原理形成的光波導(dǎo)。這種光波導(dǎo)是集成光學(xué)線路中的基礎(chǔ)部件，在板級光互連中有強大的競爭力，在現(xiàn)在和將來的各種應(yīng)用中，從數(shù)據(jù)存儲到信息傳輸，它都起著重要的作用。原因在于這類光波導(dǎo)有一系列誘人的性質(zhì)，包括傳輸損耗低、工藝簡單、成本低、易與光纖耦合等。石墨烯是由一系列碳原子排列成六邊形的網(wǎng)格狀二維平面晶體結(jié)構(gòu)。作為一種零帶隙材料，石墨烯可以吸收從紫外到太赫茲波段的入射光。通過玻璃基波導(dǎo)使入射光與石墨烯平行，大大提高了石墨烯對光子的吸收率。石墨烯吸收光子后，會產(chǎn)生光生載流子形成光電流信號，通過對光電流信號的檢測可以實現(xiàn)光電探測的功能。利用這一特性，我們能夠制造出響應(yīng)度高、功耗較低的新型光電探測器，在下一代大容量光通信系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了解決
技術(shù)介紹
中存在的問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器及制備方法，以石墨烯為光吸收層，借助金屬摻雜的石墨烯吸收玻璃基波導(dǎo)中的光子后會產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在外加電場作用下高速運動，從而形成光電流信號來實現(xiàn)光電探測器的功能。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：一、一種基于石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器：包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底之上的玻璃基波導(dǎo)、石墨烯薄膜和兩塊金屬電極，玻璃基波導(dǎo)呈條形位于玻璃襯底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波導(dǎo)上，兩塊金屬電極相對稱地位于石墨烯薄膜的兩側(cè)，每塊金屬電極中一部分直接覆于玻璃襯底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上接觸。所述的石墨烯薄膜覆于玻璃基波導(dǎo)中部，石墨烯薄膜的寬度大于玻璃基波導(dǎo)寬度，石墨烯薄膜的長度小于玻璃基波導(dǎo)長度。所述的玻璃基波導(dǎo)為離子交換表面光波導(dǎo)。所述的金屬電極的材料為鋁、金或金鉻合金。所述的金屬電極為薄膜電極，其結(jié)構(gòu)為平行結(jié)構(gòu)或叉指結(jié)構(gòu)；采用叉指結(jié)構(gòu)，兩側(cè)金屬電極的叉指相互平行且交錯地覆于石墨烯薄膜之上。所述的兩塊金屬電極的厚度一致，每個叉指寬度相同，相鄰叉指之間的間隙距離相同。一、一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器的制備方法：1)以玻璃基片作為玻璃襯底，在玻璃基片表面處理制備獲得帶有玻璃基波導(dǎo)的玻璃襯底；2)在玻璃襯底上加工放置石墨烯，形成石墨烯薄膜；3)通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制作出金屬電極的圖形，用電子束蒸發(fā)的方式將金屬電極蒸鍍到石墨烯薄膜和玻璃襯底上。所述步驟1)具體為：1.1)將玻璃基片作為玻璃襯底用濃硫酸清洗液洗凈，烘干后用真空蒸鍍在玻璃基片表面蒸鍍一層鋁掩膜；1.2)在鋁掩膜上旋涂一層光刻膠，將玻璃基片放入90℃的烘箱中前烘30分鐘，待玻璃基片冷卻至常溫，進行曝光顯影，顯影后再放入到120℃的烘箱中烘烤25分鐘，冷卻至常溫；1.3)將玻璃基片放入到鋁腐蝕液中保持恒溫40℃進行腐蝕處理，腐蝕后取出用去離子水沖洗干凈，再依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水清洗，用干凈的氮氣吹干；1.4)接著將玻璃基片置于NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的熔鹽中熱交換2.75小時，NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的配比為210:290:0.9，交換溫度為260℃，交換完成后取出，放入交換爐中隨爐冷卻，接著將玻璃片的兩端面進行拋光，制作獲得帶有玻璃基波導(dǎo)的玻璃襯底；進一步地，所述步驟2)一種實施方式具體為：在銅箔上生長石墨烯，接著在石墨烯上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然后將結(jié)合銅、石墨烯和PMMA的樣品放入足量的FeCl3溶液中直至銅箔被完全腐蝕，再將結(jié)合石墨烯和PMMA的樣品轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，放入超凈室中自然干燥12小時以上，接著放入到150℃的烘箱中烘烤1小時，使得石墨烯薄膜和玻璃襯底緊密接觸，最后去除PMMA層。進一步地，所述步驟2)另一種實施方式具體為：通過氧離子在高定向熱解石墨烯表面進行離子刻蝕，在表面刻蝕出寬度為1mm、深度為5μm的微槽后，將其粘到涂有光刻膠的玻璃襯底上；接著采用機械剝離方法將石墨烯從光刻膠上反復(fù)剝離，用丙酮溶解光刻膠，留在光刻膠上形成石墨烯薄膜并分散在丙酮溶液中，將玻璃襯底在丙酮溶液中浸泡后，再用丙醇和水沖洗，使得石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。所述的石墨烯薄膜的厚度小于0.8nm，薄膜電極的厚度約為50nm。本專利技術(shù)具有的有益效果是：本專利技術(shù)將玻璃基波導(dǎo)和石墨烯薄膜相結(jié)合進行制備，增大入射光與石墨烯的接觸面積，解決了傳統(tǒng)的石墨烯光電探測器由于石墨烯對光的吸收效率低導(dǎo)致器件的響應(yīng)度難以提高的問題。本專利技術(shù)利用光子被石墨烯吸收產(chǎn)生光生載流子在外加電場作用下高速運動，從而形成光電流信號來實現(xiàn)光電探測的功能。由于單層石墨烯對光子的吸收率僅為2.3％，本專利技術(shù)通過玻璃基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增大入射光與石墨烯的接觸面積提升石墨烯對光子的吸收，將金屬電極引入石墨烯薄膜上加強石墨烯和金屬電極表面的電場區(qū)域，促進光生載流子的分離，從而增大探測器的響應(yīng)度和動態(tài)范圍。本專利技術(shù)光電探測器所用材料以玻璃作為襯底材料，具有價格低、制作工藝成熟、技術(shù)簡單、與光的偏振無關(guān)、易于集成等優(yōu)勢。附圖說明圖1是本專利技術(shù)中平行電極光電探測器的俯視圖；圖2是本專利技術(shù)中平行電極光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本專利技術(shù)中叉指電極光電探測器的俯視圖；圖4是實施例中鋁掩膜蒸鍍在玻璃襯底上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實施例中光刻腐蝕后的鋁掩膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是實施例中離子交換后的表面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是實施例中石墨烯轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1、玻璃基波導(dǎo)，2、石墨烯薄膜，3、金屬電極，4、玻璃襯底，5、鋁掩膜。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)作進一步說明。如圖1和圖2所示，本專利技術(shù)包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底4之上的玻璃基波導(dǎo)1、石墨烯薄膜2和兩塊金屬電極3，玻璃基波導(dǎo)1呈條形位于玻璃襯底4中部，石墨烯薄膜2覆于玻璃基波導(dǎo)1上，兩塊金屬電極3相對稱地位于石墨烯薄膜2的兩側(cè)，每塊金屬電極3中一部分直接覆于玻璃襯底4上，另本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器，其特征在于：包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底(4)之上的玻璃基波導(dǎo)(1)、石墨烯薄膜(2)和兩塊金屬電極(3)，玻璃基波導(dǎo)(1)呈條形位于玻璃襯底(4)中部，石墨烯薄膜(2)覆于玻璃基波導(dǎo)(1)上，兩塊金屬電極(3)相對稱地位于石墨烯薄膜(2)的兩側(cè)，每塊金屬電極(3)中一部分直接覆于玻璃襯底(4)上，另一部分覆于石墨烯薄膜(2)上。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測器，其特征在于：包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底(4)之上的玻璃基波導(dǎo)(1)、石墨烯薄膜(2)和兩塊金屬電極(3)，玻璃基波導(dǎo)(1)呈條形位于玻璃襯底(4)中部，石墨烯薄膜(2)覆于玻璃基波導(dǎo)(1)上，兩塊金屬電極(3)相對稱地位于石墨烯薄膜(2)的兩側(cè)，每塊金屬電極(3)中一部分直接覆于玻璃襯底(4)上，另一部分覆于石墨烯薄膜(2)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器，其特征在于：所述的石墨烯薄膜(2)覆于玻璃基波導(dǎo)(1)中部，石墨烯薄膜(2)的寬度大于玻璃基波導(dǎo)(1)寬度，石墨烯薄膜(2)的長度小于玻璃基波導(dǎo)(1)長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器，其特征在于：所述的玻璃基波導(dǎo)(1)為離子交換表面光波導(dǎo)；所述的金屬電極(3)的材料為鋁、金或金鉻合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器，其特征在于：所述的金屬電極(3)為薄膜電極，其結(jié)構(gòu)為平行結(jié)構(gòu)或叉指結(jié)構(gòu)；采用叉指結(jié)構(gòu)，兩側(cè)金屬電極(3)的叉指相互平行且交錯地覆于石墨烯薄膜(2)之上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器，其特征在于：所述的兩塊金屬電極(3)的厚度一致，每個叉指寬度相同，相鄰叉指之間的間隙距離相同。
6.一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器的制備方法，其特征在于：
1)以玻璃基片作為玻璃襯底(4)，在玻璃基片表面處理制備獲得帶有玻璃基波導(dǎo)(1)的玻璃襯底(4)；
2)在玻璃襯底(4)上加工放置石墨烯，形成石墨烯薄膜(2)；
3)通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制作出金屬電極(3)的圖形，用電子束蒸發(fā)的方式將金屬電極(3)蒸鍍到石墨烯薄膜(2)和玻璃襯底(4)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器的制備方法，其特征在于：所述步驟1)具體為：
1.1)將玻璃基片作為玻璃襯底(4)用濃硫酸清洗液洗凈，烘干后用真空蒸鍍在玻璃基片表面蒸鍍一層鋁掩膜(5...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：呂哲韜，王根成，楊龍志，趙昌云，楊建義，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33