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探针辅助转移及器件制备专题2:探针辅助实现二维材料电极转移的方法

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使用电子束光刻(EBL)等方法制作金(Au)电极用于制作二维材料光电探测器/半导体异质结器件,会对样品接触面产生污染或缺陷,从而影响器件的参数性能。

2019年华北电力大学Xiaolong Liu等作者,使用探针辅助转移Au电极,避免了传统光刻法制作Au电极带来的污染,成功制作基于Au/Bi2O2Se/Au的高性能光电探测器。

作为铋基氧硫系材料之一的Bi2O2Se超薄膜因其高载流子迁移率、窄带隙、超快光响应以及长期环境稳定性而备受关注。但是,由于金属电极沉积或样品转移过程中产生的污染和缺陷会极大影响基于金属/Bi2O2Se/金属结构光电探测器的器件性能。

作者在氟金云母衬底上生长Bi2O2Se薄膜,使用探针辅助将预先刻好的Au电极从SiO2/Si衬底转移到Bi2O2Se薄膜上,过程如图1所示。

图1 探针转移金电极示意图

先在SiO2/Si衬底上使用掩模版将画好的Au刻上去;然后借助显微镜平台(迈塔光电E1-T二维转移系统探针版)使用探针沿着刻好的电极一端轻轻挑起;再将挑起的Au电极转移到Bi2O2Se薄膜上。通过这种方法,Au电极和Bi2O2Se薄膜之间的接触面是相对较好的,有效避免了光刻电极可能造成的污染或表面缺陷,并通过AFM图像进一步证明Bi2O2Se薄膜导电沟道是干净无有机物残留的。

但是通过测量输出曲线发现存在很大的电噪声,转移上去的Au电极与Bi2O2Se薄膜之间可能存在有较大的范德华间隙,导致金属/半导体之间接触不良。于是作者将Au/Bi2O2Se/Au放在真空下退火,优化退火温度为120℃,以此去除金属/半导体/金属界面的水氧,减小金属/半导体之间的范德华间隙。此外,为了提高电荷转移效率,特别是通过增加Au/Bi2O2Se界面与沿Bi2O2Se通道的电场强度,缩短器件沟道宽度以提高器件的整体性能。

经过退火处理,器件的光电性能都能得到有效的改善,测得的最大光响应度为9.1AW-1,器件最快响应时间36μs,具有很宽的光谱响应,响应范围 360~1090nm,部分相关性能参数如图2所示。并且转移上去的Au电极仍然可以剥离而不破坏Bi2O2Se薄膜,与Au电极接触的薄膜表面也没有被污染。文中也比较了高温200℃条件下退火,发现在较高的温度下退火,在金属/半导体界面或玻璃态下可能产生了不可见的化学键合,从而导致器件性能的降低。

图2 Au/Bi2O2Se/Au器件的性能:(a)随激光功率增加的I-V曲线;(b)640nm激光下的I-T曲线;(c)不同波长下的光谱响应;(d)在0.8nm沟道宽度下实验测得的最快光响应时间

2020年,同课题组使用倾斜生长的超薄Bi2O2Se薄膜构建了与石墨烯的范德华异质结器件。实验中也是使用探针辅助转移实现了Bi2O2Se/石墨烯异质结的堆叠。

在优化生长条件(温度、气压、载气通量等)下,在无过渡层的氟金云母衬底上实现了高质量Bi2O2Se倾斜薄膜的可控外延生长。并用STEM对Bi2O2Se/mica界面横截面进行表征,研究了原子接触模式,发现倾斜生长的Bi2O2Se薄膜与平面内的原子接触模式相比,Bi2O2Se/mica界面处的未中和电荷密度明显降低。由于界面接触面积较小,与云母基板的粘合力减弱,因此倾斜生长的Bi2O2Se薄膜更容易转移到其他材料上。实验中将倾斜生长的Bi2O2Se薄膜转移到带有石墨烯的SiO2/Si衬底上制作成半导体异质结器件。在光学显微镜下,先用探针尖将Bi2O2Se薄膜从云母表面剥离,之后转移到SiO2/Si衬底的石墨烯上,如图3所示。作者还录制了一段转移视频,视频中的转移过程是非常直观的。

图3 探针转移Bi2O2Se薄膜以及Bi2O2Se/石墨烯异质结示意图

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另外,Au电极也是利用图1中探针辅助的方法转移上去的。实验得到高性能Bi2O2Se/石墨烯半导体异质结器件,测得的相关性能参数如图4所示。这都归功于转移方法和过程无污染无有机物残留,同时为了降低转移过程中界面的水氧,可以将整个转移过程放在手套箱或者真空环境下进行。

 

图4 Bi2O2Se/石墨烯器件的光电特性:(a)640nm不同功率密度下的I-V曲线;(b)不同栅压下变功率密度的光响应曲线;(c)Vg-V0=-13V,光响应度与激光功率密度的关系;(d)不同栅压下光生载流子的寿命;(e)Vg-V0分别为正和负,光开关的响应速度;(f)功率密度为1mW/cm2时的光谱响应与吸收曲线

 

2021年8月31日 13:00
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