基于二维纳米材料的光电探测器研究

发布时间：2020-04-12 08:23

【摘要】：随着石墨烯在2004年首次被发现,二维纳米材料进入了的人们视野,它们往往具有三维材料所不具备的新奇特性,极大的拓宽了人们的研究范围。众多新奇的二维材料陆续被发现。由于其独特的光电学性质,基于二维纳米材料的太阳能电池、超级电容器和光电探测器等,在储能和光通讯等领展现出惊人的应用潜力。本文通过化学气相沉积法生长了四种二维材料,并使用紫外光刻和等离子刻蚀等工艺制备了基于这些二维材料的光电探测器。为提升探测器性能,我们进一步将所得二维材料与石墨烯结合构成异质结或混合结构的光电探测器,使器件性能得到了显著提升。本文的主要研究内容和结论如下:1.过渡金属硫化物的生长及其光电探测应用。通过使用化学气相沉积法,在低压条件下实现了氧化硅衬底上大面积多层二硒化钼的生长,并系统探讨了反应温度、生长压强和生长时间对于硒化钼晶体生长的影响。使用氧化硅衬底,利用化学气相沉积法在常压氛围下生长得到了大尺寸、高质量的二硒化锡晶体。进一步使用石墨烯作为基底生长二硒化锡得到二硒化锡/石墨烯异质结,并基于该结构制备了二维光电探测器。2.硒化铂/石墨烯混合结构近红外光电探测器的研究。使用化学气相沉积法制备硒化铂纳米片,并利用高载流子迁移率的石墨烯作为硒化铂功能层的传输电极,制备得到一种新型混合结构的近红外光电探测器,器件可对近红外波段进行有效地探测,并且具备显著的开关特性,响应度最高在1550 nm波段下达到6.9 m AW~(-1)。3.二维钙钛矿/石墨烯异质结光电探测器的研究。利用两步沉积法可以制备得到高质量的二维钙钛矿晶体,将其与石墨烯结合形成范德华异质结,利用该异质结作为光电探测器的吸收层,得到了性能优异的二维光电探测器。在可见光波段,响应度可达61.2 AW~(-1),响应时间为130 ms。相较于纯二维钙钛矿探测器,响应度提升幅度达到六个数量级,响应时间缩短至原来的十分之一。
【图文】：

光电探测,机理

基于二维纳米材料的光电探测器研究第一章绪论提升探测器性能的一个有效方法就是将石墨烯和TMDCs结合形成范德华异质结或混合结构，利用石墨烯的宽波段吸收和高载流子迁移率，配合过渡金属硫化物的高吸收，，形成多功能、高性能的二维异质结或者混合结构。其中过渡金属硫化物作为光敏材料，在入射光的作用下产生大量光生载流子，利用石墨烯作为载流子的高速传输层输运载流子[16]。1.2 光电探测机理简述光电探测器和其他光电应用的核心机制是将对光子的吸收转换成电信号输出到外围回路中得到光生电流。主要的机理包括有光生伏特效应、光热电效应、辐射热效应、光栅效应以及离子波增强机制。

石墨,半导体异质结,金属结构,光电探测器

被用来量化和控制 PTE 和 PV 效应的相对贡献，两者都增强了整体的光响应，但 PV效应更偏向于较长的波长。图1.2 基于金属/石墨烯/金属结构与石墨烯/半导体异质结的光电探测器[16]。(a)能带结构示意图；(b)器件的三维结构示意图；(c)集成了微腔的光电探测器示意图，DBR：分布布拉格反射镜；(d)能带结构示意图，VB 和 CB 分别代表价带和导带；(e) 集成了光波导器件的扫描电镜照片；(f)石墨烯/硅异质结光电探测器在暗态（红色实线）和光照下（蓝色实线）的 I-V 特性曲线。由于这种结构下光生电流只在金属与石墨烯界面亚微米宽度处产生[23]，因而一种如图 1.2(b)的叉指型结构被采用以提升光探测区域的有效面积[66]。另一种想法是通过施加偏压来打破器件的镜像对称性，但是这种方法是不切实际的，因为石墨烯的半金属特性将会使得暗电流急剧增大[66]。于是有学者通过直接采用一种非对称的金属化方案，其能带结构如图 1.2(a)，实现了在零偏压暗电流下的响应，并且在近红外波段得到了 1.5~6.1 mAW-1的响应度。在氧化硅衬底上基于金属石墨烯金属结构的光电探测器内量子效率普遍在 6~16%范围内[67]，说明器件的性能还是有很大的提升空间，因为在悬浮式石墨烯探测器中可以得
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15;TB383.1

【参考文献】