超薄过渡族金属碳化物的制备及其在光电探测器中的应用研究

发布时间：2020-05-10 20:23

【摘要】：自石墨烯被发现以来,二维材料由于其特殊的结构及特性引起了科研工作者们的关注。作为二维材料家族的新成员,二维超薄过渡族金属碳化物(TMCs)的结构特点及优良的物理、化学性质为二维材料的应用注入了新的活力。由液相剥离法制备得到的二维TMCs通常具有较小的横向尺寸,但其导电性及透光性良好,其功函数可以通过改变表面的官能团来调控。CVD法制备得到的二维超薄TMCs通常具有比剥离法制备的TMCs更大的横向尺寸,其导电性和透光性优异且热稳定性和环境稳定性良好。TMCs的优良特性使其为后摩尔时代中的光电探测器进一步向高灵敏、微型化的方向发展提供了新的可能。光电探测器是光信息采集系统中最为重要且应用最为广泛的光电元件之一。随着光电探测系统进一步向高灵敏、微型化的方向发展,研制出灵敏性更高且更加微型化的光电探测器是十分必要的。然而,关于构建新型光电探测器的理想材料——二维TMCs的光电探测器件的研究却鲜有报道。更为基础的是,如何制备出更适合于在光电探测器中应用(如面积更大缺陷更少)的TMCs也有待探究。鉴于此,我们开展了如下文所述的研究工作。1.用选择性刻蚀辅助液相剥离法制备了二维Ti_3C_2T_x,并将其与n型硅(n-Si)结合构建出了Ti_3C_2T_x/n-Si范德华尔斯肖特基结光电探测器。研究了Ti_3C_2T_x的厚度、退火处理、真空环境对Ti_3C_2T_x/n-Si范德华尔斯肖特基结性能的影响。测试分析了偏压状态下,Ti_3C_2T_x/n-Si光电探测器的光探测性能。制备出了电压响应和恢复时间分别为0.84 ms和1.67 ms的自供电Ti_3C_2T_x/n-Si光电探测器,它对能量密度为15.17mW/cm~2、波长为405 nm的激光的响应度和开关比分别为26.95 mA/W及10~5。2.为了获得更有利于电荷传输的薄膜电极材料,我们探究了不同生长条件对CVD法合成碳化钼-石墨烯(Mo_2C-Gr)杂化薄膜的影响。在测试了Mo_2C-Gr杂化膜的功函数后,我们以之为电极构建了Mo_2C-Gr/Sb_2S_(0.42)Se_(2.58)/TiO_2/FTO双面光电探测器,该探测器可以实现对分别经两侧电极入射的光的探测。测试和分析了不同温度、不同偏置电压条件下该光电探测器的光探测性能。探究了该光电探测器对不同波长及不同光强的入射光的电流响应。最终,制备出了在自供电的条件下对波长为650nm、能量密度为2.5 mW/cm~2的入射光的响应度为35.91 mA/W的光电探测器,该光电探测器的电压响应时间和恢复时间分别为0.084 ms及0.100 ms。3.为了制备出更适合于在光电探测器中应用的TMCs,我们用改良了的CVD法制备出了大面积超薄的Mo_2C晶体,并探讨了大面积Mo_2C晶体的生长机理。以具有低功函数值的大面积Mo_2C为电极,我们将其与Au结合构建了具有大功函数差的非对称金属接触结构。测试并分析了由非对称金属接触驱动的MoS_2基光电探测器的性能,得到了在自供电的条件下对波长为600 nm、能量密度为1.78 mW/cm~2的入射光的响应度为10~(-1) mA/W的Mo_2C/MoS_2/Au光电探测器。该光电探测器的电流响应和恢复时间分别为23 s和28 s。
【图文】：

强的功能可调性[21]。合成的二维材料——石墨烯，它的性能也层碳原子以正六边形结构排列组合而成，它构的二维半导体材料。这种独特的能带结构电学性能有明显的区别[22]。石墨烯的载流子，其透光率达到 97.7%[23]。石墨烯的热导率1、2630 m2g-1[24, 25]。石墨烯的这些性质使其烯零带隙的特性限制了它在高性能的电子晶中的其他成员，如 TMDs、BP 等二维材料、WSe2等 TMDs 具有 1 eV 到 2 eV 的禁带现在具有略大于 0.3 eV 的禁带宽度的情况移率[27]，它们都非常适合于构建电子晶体管电子、光电子器件的进一步发展提供了坚实

方法、性能及实际应用等方面的内容。虽然现已发现的二维材料的种类已富，但科研工作者们对新型二维材料的研究从未停止。二维材料的常见制备方法新型二维材料的成功制备是对其展开研究的先决条件，由于经典的材料制往可以为新型材料的制备及制备方法的优化提供思路，因此，本节将对二常见制备方法做出简要介绍。材料的制备方法可以分为自上而下的减材制下而上的增材制造法。对于二维材料而言，常见的自上而下的制备方法有剥离，，液相剥离两种方式。其中液相剥离法又可以根据剥离原理的不同分力辅助液相剥离、离子插层辅助液相剥离、离子交换辅助液相剥离、氧化剥离和选择性刻蚀液相剥离等方法。常见的自下而上的制备方法有：湿法法和化学气相沉积法。二维材料常见制备方法的汇总及分类图如图 1.2 所示对二维材料的常见制备方法逐一做出介绍。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TN36

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