[发明专利]一种实现低角度依赖高光吸收和稳定柔性接触的柔性光电子器件设计方法及光探测器

说明书

启迪于万寿菊花朵喜阳特性的发散状准球对称结构，本发明公开了一种具有准球对称特性的发散状低角度光捕获结构以实现高性能柔性自给能光探测器及其制备方法。本发明专利创造的性的提出利用准球对称发散状结构，在柔性光电器件的柔性弯曲过程中从光学光吸收不变性和电学接触不变性两方面保证柔性光电器件的光电性能的稳定性。本发明创造性的利用非对称电极设计了一种具有高光吸收的纳米结构并用半导体纳米球花制造了兼具低角度高光吸收和稳定物理接触的自供电柔性宽波段光探测器。解决了传统柔性光电器件的能源供应问题、柔性弯曲性能差和平面和阵列硫化钼的低光吸收问题。本发明的发散状准球对称纳米结构高光吸收特性和物理接触不变特性对提升各种半导体的光吸收能力和柔性具有通用性。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种准球形对称性纳米结构的兼具高光吸收和稳定物理接触的柔性光探测器及其制作方法。

背景技术

作为广泛使用的过渡金属硫化物之一，二硫化钼(MoS₂)是用于电子和光子学应用的有前途的材料。特别是，带隙可变(1.2-1.8eV)的片状MoS₂由于其独特的特性(例如高载流子迁移率，强电子空穴限制和高的光吸收率)而具有广泛的应用范围，包括电子传感器，储能设备，超级电容器，光电设备，催化和生物分子检测。对于光电器件应用而言，尽管MoS₂的光吸收在厚度小于1nm时能达到入射太阳光的5-10％，但由于片状MoS₂的局限性，进一步提升MoS₂的光吸收能力是一个巨大的挑战，进而阻碍了MoS₂光电性能的提高。近年来，与传统的刚性光电器件相比，具有稳定性能的柔性便携式自供电光电器件受到了越来越多的关注，并在柔性电子系统中有许多潜在的应用。然而，大多数具有良好光电性能的传统无机光电材料却显示出较差的柔韧性和可拉伸性。

通常，根据实现柔韧性的方式，柔韧性光电器件可分为三种主要类型：(i)在可弯曲塑料基板上构建的无机光电材料；(ii)无机光电器件涂有柔韧性聚合物，例如PMMA和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，(iii)有机半导体作为主要的光电材料。尽管(i)和(ii)的方法可以通过低成本工艺使无机光电器件实现柔韧性，但很容易引起破坏并改变物理接触以及弯曲时光的入射角。因此，这些缺陷阻碍了柔性无机光电器件的进一步发展。然而，与无机光电材料的迁移率相比，例如层状过渡金属二卤化金属的室温迁移率约为200-410 cm²/(Vs)，分子晶体和聚合物的迁移率仅为40-50cm²/(Vs)。此外，结晶膜和基板的窄的光吸收和不相容性是限制有机光电器件性能的其他关键因素。因此，包括(i)和(ii) 的改进手段是促进柔性光电器件的低成本，可扩展且有效的方法。如今，为了解决方法(i) 和(ii)的问题，调节具有机械特性的无机光电材料的微观结构和组成以适应大的应变和几何变形是一种有效的方法。目前迫切需要避免使用常规方法来改善光电材料的机械特性，以适应较大的应变和几何变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种由万寿菊结构启发的具有准球形对称性的发散状光捕获结构实现具有低角度依赖性和稳定柔性接触的高性能柔性光探测器。在这项工作中，受万寿菊花朵精细结构的启发，我们展示了一种创新的方法，该方法构造具有准球形对称性的发散微纳米结构，使光电材料能够实现柔性器件弯曲时其物理接触不变及高光吸收不变特性。在这里，基于MoS₂的独特的光电特性，通过一种简便的一步水热方法成功地合成了具有准球形对称性的自组装发散状的硫化钼纳米球花结构MoS₂_F。结合非对称的银电极以简便廉价的纸基作为基底并由PMMA封装，实现了基于MoS₂_F的自供电柔性PD，该PD 在没有外部供能装置的情况下显示出强大的光吸收能力和出色的柔性光响应性能。因此，光电检测器装置的基本问题，例如电源问题，缺乏柔性和低光吸收，已经通过新颖且低成本的方法成功地克服了。这项工作为实现低角度依赖性的高光吸收提供了新的方向，并通过保持弯曲的光学和电气特性不变而开辟了一条创新的途径来实现灵活的光电应用。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：