一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器

1.本发明涉及光电探测器技术领域，具体是一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器。


背景技术：

2.光探测器，又名“光检测器”，是光纤传感器构成的重要部分。据研究，一种由光电效应驱动的自供电镍-磷烯-镍光电探测器具有出色的自旋阀效应和自旋滤波效应；此外，一种二维的基于vsi2n4/wsi2n4/vsi2n4的异质结光电探测器，在不加偏置电压的情况下，具有纯自旋电流、完美的自旋滤波效应和出色的自旋阀效应，且均可在宽光子能量范围内实现。由于半金属材料有100％自旋极化率的特点，在半导体自旋电子注入、自旋阀、隧道结等自旋电子器件中有重要作用。随着石墨烯的发现，石墨烯纳米带(graphene nanor ibbon,gnr)成为自旋电子器件中的重要应用材料。gnr可通过切割石墨烯而获得，根据边缘结构的晶体学取向，存在两种类型的gnr。通过对锯齿形石墨烯纳米带(zi gzag-edge graphene nanor ibbons,zgnrs)施加横向电场调控zgnr两边缘自旋简并且局部的边缘态在能量上向相反方向移动进而实现了半金属性；通过锰和氟原子对扶手椅型石墨烯纳米带(armchai r graphene nanor ibbons,agnrs)的边缘修饰(agnr-mn-f2)引入半金属性和100％自旋极化，发现处于平行配置时，施加0-0.7v的偏置电压下具有100％的自旋极化特性；另外，将铌掺杂到agnrs中也引入了半金属性，当计算施加偏置电压的自旋依赖传递特性时，在0.15-0.5v的外加电压范围内，器件的自旋方向处于反平行配置时的自旋滤波效率超过95％。
3.然而到目前为止，将半金属性材料作为分子器件的两端电极的研究是很有限的，基于以半金属性材料为两端电极的分子器件是否存在高的自旋滤波效率尚不确定。此外，利用卟啉独特的电子结构和光电性能，设计和合成光电功能材料及光电器件成为该领域的研究重点。由于卟啉存在共轭π体系，使得卟啉分子的最高占据轨道和最低空轨道的能级差降低，使其既能吸收可见光又能发射可见光。卟啉分子的平面大环结构易被化学修饰，可与多种金属离子形成稳定的金属配合物，所以卟啉类化合物是微纳电子器件中理想的光电元件。
4.探究基于半金属纳米带和过渡金属卟啉分子的光电器件是否存在高的自旋滤波效率依然是本领亟待解决的重点课题，基于此，本发明设计了一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，以解决上述提出的基于半金属纳米带和过渡金属卟啉分子的光电器件是否存在高的自旋滤波效率的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，包括两端电极和中心区，所述两端电极为半金属纳米带，两端电极的声子谱不具有虚频，所述中心区为锰卟啉分子，所述锰卟啉分子与半金属纳米带以共价键的形式连接形成msm型的光电探测器；所述半金属纳米带的中间部替换掺杂有一条fen4链形成能带结构，所述半金属性纳米带在自旋向上的通道呈打开状态，且自旋向上的能带穿过费米能级表现为金属性，自旋向下的能带未穿过费米能级表现为半导体性质。
8.作为本发明进一步的方案：所述半金属纳米带为扶手椅型石墨烯纳米带。
9.作为本发明进一步的方案：所述扶手椅型石墨烯纳米带的带宽为10带宽。
10.作为本发明进一步的方案：所述照射中心区上锰卟啉分子线性偏振光光子能量的范围为1.2-3.0ev，用于将锰卟啉分子中价带的电子激发到导带，产生电流。
11.作为本发明进一步的方案：所述电流包括自旋向上i
↑
和自旋向下i
↓
两个方向。
12.作为本发明进一步的方案：所述自旋滤波效率的公式为：
[0013][0014]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0015]
1、本发明通过在石墨烯纳米带的基础上，以掺杂替换的方式添加一条fen4链，使形成的能带结构具有半金属性，并以该半金属材料为两端电极、锰卟啉分子为中心区连接形成光电器件，在不少的光子能量下的自旋滤波效率大于80％，甚至在一些光子能量下接近100％，完成具有高自旋滤波效率的自旋光电探测器的设计，大大提升了探测器的自旋滤波效果。
[0016]
2、本发明为一维纳米线结构，尺寸微小、体积小巧。
[0017]
3、本发明在一定的能量范围内的光照射下，无需外加电压就可以产生较大的光电流，并且可以较好地避免暗电流的产生。
附图说明
[0018]
图1为本发明的10带宽的石墨烯纳米带结构示意图；
[0019]
图2为本发明的半金属纳米带的结构示意图；
[0020]
图3为本发明的半金属纳米带的能带结构；
[0021]
图4为本发明的半金属纳米带的声子谱；
[0022]
图5为本发明的光电探测器的俯视图；
[0023]
图6为本发明的光电探测器的侧视图；
[0024]
图7为本发明不同光子能量下两个自旋方向的最大光电流的仿真图像；
[0025]
图8为本发明不同光子能量下的自旋滤波效率折线图。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
实施例
[0028]
请参阅图1-图8，本发明实施例中，一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，包括如下步骤：
[0029]
s1：设计半金属纳米带，具体包括：在10带宽的扶手椅型石墨烯纳米带的基础上，用替位掺杂的方式在其中间区掺入一条fen4链，如图1-图4所示，通过图3可以看出：当自旋向上的能带穿过费米能级，则表现为金属性；若自旋向下的能带没有穿过费米能级，表现为半导体性质，这意味该纳米带是典型的磁性半金属材料，此外，声子谱是测量材料稳定性的方法之一，通过观察该半金属纳米带的声子谱，如图4所示，可以判定该声子谱没有虚频，表明该半金属纳米带的结构相对稳定，因此，该半金属纳米带可用于光电探测器的两端电极；
[0030]
s2:设计光电器结构，具体包括：将半金属纳米带作为两端电极，且锰卟啉分子作为中心区，其中，分子与纳米带以共价键的形式连接形成金属-半导体-金属型的光电探测器，如图5-图6所示；
[0031]
s3：照射线性偏振光，具体包括：利用1.2-3.0ev光子能量范围内的线性偏振光照射在光电探测器中心区的锰卟啉分子上，分子中价带的电子将被激发到导带，并且流向两边电极，从而产生电流；
[0032]
根据自旋方向，电流方向包括自旋向上(i
↑
)和自旋向下(i
↓
)两个方向，通过统计不同光子能量下两个自旋方向的最大光电流，如图7所示，不难发现自旋向上的光电流占比大于自旋向下的光电流，此时，半金属性纳米带在自旋向上的通道呈打开状态，根据自旋滤波效率的公式：
[0033][0034]
如图8所示，通过计算不同光子能量下的自旋滤波效率，可以得出结论：在许多光子能量下，自旋滤波效率均达到80％以上，当光子能量为2.1ev、2.2ev或2.3ev时，自旋滤波效率值大于95％，这意味着在这些光子能量下，光电流几乎完全自旋偏振，因此，以半金属纳米带为电极、锰卟啉分子为中心区的光电探测器可以实现完美的自旋过滤效果，本技术中的探测器可作为自旋电子学中一个有前途的候选者，提升探测器的自旋滤波效果。
[0035]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：包括两端电极和中心区，所述两端电极为半金属纳米带，两端电极的声子谱不具有虚频，所述中心区为锰卟啉分子，所述锰卟啉分子与半金属纳米带以共价键的形式连接形成msm型的光电探测器；所述半金属纳米带的中间部替换掺杂有一条fen4链形成能带结构，所述半金属性纳米带在自旋向上的通道呈打开状态，且自旋向上的能带穿过费米能级表现为金属性，自旋向下的能带未穿过费米能级表现为半导体性质。2.根据权利要求1所述的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：所述半金属纳米带为扶手椅型石墨烯纳米带。3.根据权利要求2所述的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：所述扶手椅型石墨烯纳米带的带宽为10带宽。4.根据权利要求1所述的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：所述照射中心区上锰卟啉分子线性偏振光光子能量的范围为1.2-3.0ev，用于将锰卟啉分子中价带的电子激发到导带，产生电流。5.根据权利要求4所述的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：所述电流包括自旋向上i
↑
和自旋向下i
↓
两个方向。6.根据权利要求5所述的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，其特征在于：所述自旋滤波效率的公式为：

技术总结
本发明公开了光电探测器技术领域的一种基于半金属性纳米带与卟啉分子的具有自旋滤波效应的光电探测器，包括两端电极和中心区，所述两端电极为半金属纳米带，两端电极的声子谱不具有虚频，所述中心区为锰卟啉分子，所述锰卟啉分子与半金属纳米带以共价键的形式连接形成MSM型的光电探测器。本发明通过在石墨烯纳米带的基础上，以掺杂替换的方式添加一条FeN4链，使形成的能带结构具有半金属性，并以该半金属材料为两端电极、锰卟啉分子为中心区连接形成光电器件，在不少的光子能量下的自旋滤波效率大于80％，甚至在一些光子能量下接近100％，完成具有高自旋滤波效率的自旋光电探测器的设计，大大提升了探测器的自旋滤波效果。果。果。


技术研发人员：朱国嘉 张妍宁
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/24