一种基于二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管及其制备方法和应用

本发明属于多功能光电晶体管的，更具体地，涉及一种基于二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管及其制备方法和应用。

背景技术：

1、将光信号转化为电信号在当代科技中具有重要意义，其中光电探测器是一种可以实现这一现象的重要途径，也是现代科技中的关键一环，在军事和国民经济等各个领域都有着广泛的应用。特别是，红外光电探测器可以应用于光谱学，遥感，成像，安防和光通信领域中。传统光电探测器可以由二维材料垂直堆叠形成，二维材料具有无需考虑晶格匹配、厚度依赖，强相互作用力，以及量子光效应等优异物理性能。到目前为止，基于二维范德华异质结光电探测器可以实现优异的性能从而得到了研究者们的广泛关注。

2、然而，目前大部分关于光电探测器的研究是以两种材料堆叠的双异质结为主，根据材料间能带排列，可以把双异质结分为三种类型，第一种是一种材料的带隙全部位于另一种材料的带隙内，这种类型为跨立型，电子和空穴都聚集在能带低的材料中，易复合。常用于发光二极管的制备；第二种是指一种材料的价带顶位于另一种材料的带隙内，这种类型为错开型，有利于电子和空穴的分离，可用于太阳能电池；第三种是指一种材料的导带底低于另一种材料的价带顶，这种类型为破隙型可用于隧穿晶体管。而对于三种材料堆叠的双异质结研究较少。研究表明，与单异质结相比，双异质结光电探测器可以显著抑制暗电流、提升光响应度，宽谱吸收范围、偏振光电流比和响应速度。然而，对于具有高表面高导电性、内部绝缘、窄带隙、高迁移率和宽谱吸收的二维拓扑绝缘体而言，其在双异质结方面还未见报道。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种基于二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管。

2、本发明的另一目的在于提供上述基于二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管制备方法。

3、本发明的再一目的在于提供上述一种二维拓扑绝缘体三明治光电晶体管的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案来实现：

5、一种二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管，所述光电晶体管是在sio2/si衬底上先将拓扑绝缘体纳米片转移至snse2纳米片上，形成snse2/拓扑绝缘体异质结，再将2h-mote2纳米片转移至snse2/拓扑绝缘体异质结的拓扑绝缘体纳米片上，其中snse2纳米片与2h-mote2纳米片不接触，形成snse2/拓扑绝缘体/2h-mote2异质结，分别在snse2纳米片和2h-mote2纳米片上蒸镀金属粘结层和au电极，保护气氛下在150～300℃退火制得；所述拓扑绝缘体纳米片为bi2se3或bi2te3纳米片。

6、优选地，所述snse2纳米片的厚度为10～70nm；所述拓扑绝缘体纳米片的厚度为5～50nm；所述2h-mote2纳米片的厚度为10～70nm。

7、优选地，所述snse2纳米片为n型掺杂snse2纳米片，是在经清洗的sio2/si衬底上通过机械剥离法获得；

8、所述拓扑绝缘体纳米片是将cr/au或ti/au层蒸镀到sio2/si基底；将拓扑绝缘体胶带粘附到上述cr/au或ti/au在sio2/si基底上按压剥离获得；

9、所述2h-mote2纳米片是在pdms薄膜上通过机械剥离法获得。

10、优选地，所述金属粘结层为cr或ti，其厚度为3～15nm，所述au的厚度为20～200nm。

11、所述的二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管的制备方法，包括以下具体步骤：

12、s1.在经清洗的300nmsio2/si衬底上通过机械剥离法获得snse2纳米薄片，浸泡丙酮去除样品表面的残胶和其它有机小分子，通过光学金相显微镜选择合适大小的snse2纳米片；

13、s2.利用干法转移工艺，将拓扑绝缘体纳米片通过三维微区转移平台堆垛到snse2纳米片上，并在保护气体下100～150℃退火，获得界面洁净、接触紧密的snse2/bi2se3异质结；

14、s3.利用干法转移工艺，将2h-mote2纳米片通过三维微区转移平台堆垛到bi2se3纳米片上，并在保护气体下100～150℃退火，获得界面洁净、接触紧密的snse2/bi2se3/2h-mote2异质结；

15、s4.通过紫外光刻机分别在snse2纳米片和2h-mote2纳米片上进行电极图案的光刻和显影，并通过电子束蒸镀或热蒸发系统蒸镀金属粘结层和au电极，经过丙酮浸泡溶脱，得到电极图案，在惰性气体中150～300℃进行退火处理，制得基于snse2/bi2se3/2h-mote2异质结的光电晶体管，即为基于二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管。

16、优选地，步骤s2中所述拓扑绝缘体纳米片的制备方法为机械剥离法、金辅助剥离-转移法、物理气相沉积法。

17、更为优选地，所述金辅助剥离-转移法具体为采用带有拓扑绝缘体单晶片的胶带机械剥离在镀有cr/au或ti/au层的sio2/si上，通过干法转移和金刻蚀液在新sio2/si衬底上获得洁净无损的厚度为5～50nm样品。

18、优选地，步骤s2中所述保护气体为氮气或氩气；所述退火的时间为0.3～2h。

19、所述的二维拓扑绝缘体的三明治光电晶体管在逻辑回路元器件或可见-近红外光光响应的光电器件领域中的应用。

20、优选地，所述snse2纳米片是在经清洗的sio2/si衬底上通过机械剥离法获得；所述拓扑绝缘体纳米片是将ti/au蒸镀到sio2/si基底；将拓扑绝缘体胶带粘附到上述ti/ausio2/si基底上按压剥离获得。

21、本发明通过将bi2se3作为iii型能带排列mote2/snse2的中间夹层，实现光电性能的显著提升。根据理论报道和实验结果，器件形成了两个方向相同的内建电场。其中mote2作为一种双极性材料，器件具备显著的栅压调控能力。在栅压(vg)为60v时，mote2和bi2se3之间的内建电场发生反转，出现两个背对背内建电场。器件在808nm和vg＝60v下，最大光响应度和比探测率分别达到492.80ma/w和1.8×1011jones，外量子效率达到76％，响应速度为553μs/583μs。上述性能参数远超于mote2/snse2双异质结光电二极管，为构建一种超快响应的隧穿光电晶体管提供了一种有效的应对策略。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、1.本发明的基于snse2/bi2se3/2h-mote2异质结的光电晶体管实现了栅极可调光响应，在不同方向的栅电压施加下(0v或60v)，光电晶体管的两个内建电场方向由同向转为背靠背，结果表明，背靠背的内建电场方向相较于同向内建电场方向对于光电晶体管的光电性能存在明显提升。解决了该领域中的对于光电晶体管的响应度和响应时间无法同时满足的需求。

24、2.本发明可以通过栅压调控2h-mote2的费米能级位置，改变2h-mote2作为双极性材料与bi2se3所形成的内建电场方向。

25、3.本发明的基于snse2/bi2se3/2h-mote2异质结的光电晶体管具有优异的近红外自驱动光电性能(808nm最大光响应度达到492.80ma·w-1，外量子效率达到76％，最大比探测率达到1.8×1011jones，响应速度达到了553μs)，该自驱动光电性能在同类型光电探测器中处于上游水平，与无拓扑绝缘体夹层的结构相比，外量子效率、比探测率和响应度等性能都得到了显著提升，在低功耗以及近红外光电探测领域有广泛的应用前景。