本發(fā)明涉及紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯基碲鎘汞材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

紅外探測技術(shù)是航天偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、臨近空間目標(biāo)探測、機載火控、艦載偵察的重要手段，紅外探測材料的探測性能是影響紅外探測系統(tǒng)靈敏度的關(guān)鍵。半個多世紀(jì)以來，基于碲鎘汞、II類超晶格等光電探測材料的紅外焦平面器件得到快速發(fā)展，極大地促進了紅外成像與探測技術(shù)的發(fā)展，使紅外探測裝備的探測靈敏度得到大幅度提升，溫度靈敏度達到幾十mK(10^-2K量級)，較好地滿足了武器裝備需求。

為了滿足航天偵察、預(yù)警探測、機載火控等武器裝備對敵方目標(biāo)的遠距離、大范圍、全被動探測等方面的需求，對紅外探測系統(tǒng)的探測靈敏度的要求日益提高；同時，隨著紅外隱身技術(shù)的發(fā)展，新一代隱身戰(zhàn)斗機、遠程隱身轟炸機、海面隱身艦艇等目標(biāo)的雷達及紅外隱身能力日趨完善，空中、海面及水下目標(biāo)的紅外輻射強度日益降低，為實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的穩(wěn)定探測，需要進一步提高紅外探測系統(tǒng)的探測靈敏度。但同時，目前碲鎘汞紅外探測材料的量子效率已經(jīng)達到70％左右，使用上述紅外紅探測材料研制的紅外焦平面探測器的探測靈敏度已接近或達到理論性能極限，以目前的紅外探測材料為基礎(chǔ)，采用優(yōu)化紅外焦平面器件性能來將其探測靈敏度提升2個量級以上的技術(shù)途徑面臨著嚴(yán)竣挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進一步提高紅外探測系統(tǒng)的探測靈敏度，本發(fā)明提供了一種石墨烯基碲鎘汞材料及其制備方法。

本發(fā)明提供的一種紅外探測材料(石墨烯基碲鎘汞材料)，包括紅外光吸收層和電荷傳輸載體層；所述電荷傳輸載體層布設(shè)在所述紅外光吸收層上；其中，所述電荷傳輸載體層由石墨烯材料制備得到。

本發(fā)明提供的一種紅外探測材料(石墨烯基碲鎘汞材料)的制備方法，包括以下步驟：

在襯底上面依次生長緩沖層、紅外光吸收層；

在基底上面生長石墨烯層；

除去所述紅外光吸收層的表層氧化層，并進行退火；除去石墨烯層下面的基底，并將所述石墨烯層轉(zhuǎn)移至經(jīng)退火處理后的紅外光吸收層表面進行鍵合，得到紅外探測材料。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明實施例利用石墨烯材料作為光生載流子的輸運層提升響應(yīng)速率和探測器靈敏度，結(jié)合了石墨烯材料的獨特能帶結(jié)構(gòu)、超高載流子遷移率、超寬光譜吸收的特性以及碲鎘汞材料的極高量子效率性能，可適應(yīng)新一代武器裝備和電子系統(tǒng)發(fā)展對紅外探測器的需求，解決提高探測距離、拓展探測頻段、提升探測精度等武器裝備性能發(fā)展瓶頸問題，實現(xiàn)紅外探測靈敏度從幾十mK向亞mK方向發(fā)展，支持新一代中遠程光電探測裝備從分立、局部戰(zhàn)場感知走向高分辨、全天候、寬光譜、全球多維信息獲取。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實施方式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置實施例紅外探測材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明裝置實施例實例1的紅外探測材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明方法實施例紅外探測材料制備方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明方法實施例除去石墨烯薄膜下面基底的示意圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

石墨烯材料在光電探測應(yīng)用方面具有先天的優(yōu)勢。作為一種碳納米材料，石墨烯擁有特殊的能帶結(jié)構(gòu)(零帶隙、零有效質(zhì)量)，進而使得其具有高達200000cm²V^-1s^-1的超高載流子遷移率和從可見光到遠紅外的超寬光譜吸收，在光電探測器方面展現(xiàn)出從紫外到紅外的寬譜響應(yīng)及超快探測的性能。作為一種二維原子晶體，石墨烯二維特性與現(xiàn)有的硅工藝線完美兼容；此外，石墨烯材料的二維特性還可以避免由于像元尺寸減小而產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象，有望實現(xiàn)超高密度像元陣列，從而實現(xiàn)高分辨率；并且該材料具有極低功耗、極高靈敏且超輕超穩(wěn)定。這些優(yōu)越的性質(zhì)及特殊的二維結(jié)構(gòu)使其在國防軍事上有著廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)本發(fā)明的裝置實施例，提供了一種紅外探測材料，圖1是本發(fā)明裝置實施例紅外探測材料的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明裝置實施例的紅外探測材料包括包括紅外光吸收層和電荷傳輸載體層；所述電荷傳輸載體層布設(shè)在所述紅外光吸收層上；其中，所述電荷傳輸載體層由石墨烯材料制備得到。

具體的，所述紅外光吸收層生長在設(shè)有緩沖層的襯底上。

具體的，所述紅外光吸收層由碲鎘汞材料制備得到。

具體的，所述紅外光吸收層的厚度為1～5微米。

具體的，所述電荷傳輸載體層由單層或多層石墨烯層構(gòu)成，單層或多層石墨烯層作為電極層以及蓋帽層。所述石墨烯層為高速電荷傳輸層，最大限度的提升電荷的傳輸速度，降低傳輸層由于產(chǎn)生-復(fù)合產(chǎn)生的暗電流，提升紅外探測的極限性能。

當(dāng)光線入射的時候，紅外光吸收層吸收入射光，產(chǎn)生光生電子-空穴對，其中一種電荷傳輸?shù)绞┥?，在外加偏壓的作用下快速傳輸形成光電流?；陧阪k汞優(yōu)異的光吸收特性，把碲鎘汞吸收層作為柵極，吸引出石墨烯中另外一種電荷，進而提高光電流，增加光電導(dǎo)增益。采用石墨烯基碲鎘汞紅外探測材料復(fù)合從理論上可以獲得紅外波段的極高光電響應(yīng)度。

為了詳細的說明本發(fā)明的紅外探測材料，給出實例1。

圖2是本發(fā)明裝置實施例實例1的紅外探測材料的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，紅外探測材料包括下至上依次排列的襯底、緩沖層及紅外光吸收層和電荷傳輸載體層。

所述襯底的材質(zhì)為Si、GaAs，Ge、InSb、CdZnTe、GaSb、或藍寶石中的一種，以及碲鎘汞可預(yù)見的其他襯底；所述緩沖層的材質(zhì)為ZnTe、CdTe，厚度為幾十埃到幾百埃；所述紅外光吸收層(由碲鎘汞材料制備得到)的厚度為1～5微米。

通過外延或者沉積的方式生長1-5微米左右的紅外光吸收層，截止波長可以包括短波、中波、長波以及甚長波。

所述電荷傳輸載體層由1～10石墨烯層構(gòu)成，

本發(fā)明裝置實施例采用光吸收和電荷傳輸分開的方法來提高探測器的靈敏度，基于石墨烯材料的獨特能帶結(jié)構(gòu)、超高載流子遷移率、超寬光譜吸收的特性，結(jié)合碲鎘汞材料的極高量子效率性能，通過將碲鎘汞紅外半導(dǎo)體材料吸收層和石墨烯結(jié)合的辦法，使碲鎘汞紅外半導(dǎo)體材料扮演光吸收體的角色，石墨烯則充當(dāng)電荷傳輸載體，得到了具有極高紅外輻射響應(yīng)度、超寬光譜響應(yīng)范圍的新一代石墨烯基復(fù)合紅外探測材料，大幅度提升其紅外輻射響應(yīng)度和探測靈敏度。

根據(jù)本發(fā)明的方法實施例，提供了一種紅外探測材料的制備方法，圖3是本發(fā)明方法實施例紅外探測材料制備方法的流程圖，如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明方法實施例的紅外探測材料的制備方法包括以下步驟：

步驟301：在襯底上面依次生長緩沖層、紅外光吸收層。

具體的，所述襯底的材質(zhì)為Si、GaAs，Ge、InSb、CdZnTe、GaSb、或藍寶石中的一種，或者碲鎘汞可預(yù)見的其他襯底。

步驟302：在基底上面生長石墨烯薄膜。

具體的，所述基底的材質(zhì)為金屬箔(例如Cu)或Si襯底。

具體的，步驟302具體包括以下步驟：

采用氣相沉淀或氧化還原法在基底上生長石墨烯薄膜。

步驟303：除去所述紅外光吸收層的表層氧化層，并進行退火；除去石墨烯層下面的基底，并將所述石墨烯層轉(zhuǎn)移至經(jīng)退火處理后的紅外光吸收層表面進行鍵合，得到紅外探測材料。。

具體的，除去所述碲鎘汞薄膜層的表層氧化層，并進行退火具體包括以下步驟：

將所述紅外光吸收層進行磨拋，除去所述紅外光吸收層的表層氧化層(5-10微米左右的碲鎘汞薄膜材料)；

將去除表層氧化層后的紅外光吸收層進行P型退火，獲得p型濃度為10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3量級的紅外光吸收層。

圖4是本發(fā)明方法實施例除去石墨烯薄膜下面基底的示意圖。

為了更加詳細的說明本發(fā)明方法實施例，給出實例2。

本發(fā)明的一種紅外探測材料的制備方法包括以下的步驟：

步驟A：理論計算。根據(jù)材料響應(yīng)波長范圍，設(shè)定碲鎘汞(Hg_1-xCd_xTe)組分的參數(shù)、厚度；計算出與碲鎘汞能級匹配的石墨烯材料厚度、摻雜情況。

步驟B：碲鎘汞材料制備。采用晶格匹配碲鋅鎘襯底或其他替代襯底，通過液相外延或金屬氣相沉積、分子束外延等方式外延一定厚度碲鎘汞薄膜，厚度為微米量級；

步驟C：鍵合前處理。生長完后的碲鎘汞表面經(jīng)化學(xué)清洗去除表層氧化層、退火等工藝后等待與石墨烯鍵合；

步驟D：石墨烯薄膜制備。采用氣相沉積或氧化還原以及其他常規(guī)石墨烯制備方法在Cu箔或其他基底生長石墨烯薄膜；

步驟E：轉(zhuǎn)移與鍵合。石墨烯剝離以及轉(zhuǎn)移，通過去除石墨烯生長所需的基底材料，獲得石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至步驟C中的碲鎘汞表面實現(xiàn)鍵合；

其中，在所述的步驟A中，基于石墨烯和碲鎘汞材料的不同特性素，進行石墨烯基復(fù)合紅外探測材料的工作機制、石墨烯和碲鎘汞材料的能級匹配、石墨烯和碲鎘汞材料載流子高速轉(zhuǎn)移等方面的理論計算，獲得石墨烯基碲鎘汞材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)類似附圖1。

其中，在所述的步驟B中，襯底采用(111)或(211)碲鋅鎘、Si、GaAs、Ge、InSb、藍寶石、GaSb等襯底經(jīng)清洗后裝入生長設(shè)備，生長組分合適的碲鎘汞薄膜，隨后降溫至室溫取出測試表征；

其中，在所述的步驟C中，碲鎘汞薄膜材料經(jīng)磨拋后剩余5-10微米左右的碲鎘汞薄膜材料，經(jīng)p型退火，獲得p型濃度為10¹⁵cm^-3-10¹⁷cm^-3量級的薄膜材料。

其中，在所述的步驟D中，石墨烯為單層或多層石墨烯層。

綜上所述，依照本發(fā)明的一種石墨烯基碲鎘汞材料及其制備方法，利用石墨烯和碲鎘汞材料優(yōu)勢制備復(fù)合材料，本身工藝的操作性強。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。