高性能硅量子点石墨烯硅基光电探测器的研究
发布时间：2019-09-16 21:55
【摘要】：石墨烯独特的零带隙能带结构,使其从紫外到中红外很宽的频带内可以产生光生电子空穴对,且石墨烯内部的光学跃迁可以将光吸收范围拓宽至远红外,甚至太赫兹波段。凭借其优异的光学特性和电导率,石墨烯在光电探测方面有着广阔的应用前景。由于硅材料丰富的存储量和无毒性,硅基光电探测器成为光电探测器中研究最广的成员之一。目前,对硅基光电探测器的研究逐步成熟,制备工艺日趋完善,但是硅基光电探测器存在许多不足,如探测器的制备存在一定的技术瓶颈,探测器的探测信号较弱,探测范围仅300-1100nm等。因而,如何提高硅基光电探测器的性能成为亟待解决的问题。科学家们尝试使用掺杂来提高材料的性能,其中化学掺杂是最受欢迎的掺杂方法之一,但是化学掺杂不稳定,并且在掺杂过程中可能会对石墨烯造成破坏。另一方面,作为最重要的半导体材料的另一种类型,纳米尺寸的硅即硅量子点(Si-QDs)近年来获得了越来越多的关注。量子限域效应表明当量子点的粒径小于玻尔半径时,会具有异于体硅材料的能带结构和发光特性,这些特性使得硅量子点成为极其重要的荧光材料之一。而硼掺杂硅量子点在中红外波段有较强的吸收峰,这些特性使得量子点在光电探测方面有应用潜能。本文通过两种器件类型研究Si-QDs与石墨烯之间的相互作用,提高光电探测器的光电性能。主要研究成果如下:(一)研究了 Gr/Si肖特基结光电探测器的工作原理,石墨烯/硅在接触界面形成肖特基结,入射光照射后,在内建电场作用下光生电子空穴对分离,空穴向石墨烯转移,电子被硅收集,形成光生电流。通过公式拟合,计算出Gr/Si肖特基结的相关参数。并在此工艺基础上,用量子点对Gr/Si探测器进行性能优化,制备出Si-QDs/Gr/Si光电探测器,器件的性能优异。当入射光波长405 nm,功率密度为0.1mW/cm2,测得的光电流约为91nA,响应度约为0.36A/W。同时本文也对器件的响应速度进行测试,其中零偏压下时间响应为25ns。(二)在Si-QDs/Gr/Si探测器制备工艺的基础上,本文简化了工艺流程,将石墨烯转移到带有氧化硅衬底上并图形化,旋涂量子点,获得掺硼硅量子点/石墨烯超高增益宽频谱光电导探测器。其工作原理为:B-SiQDs本身对石墨烯n型掺杂,光照下P型掺杂,增加光吸收,提高光响应。经计算可得,响应度为109A/W(入射波长532nm,光功率密度为0.2μW/cm2),增益Gain高达1012,并且在375-1870 nm全波段内响应极高。同时在中红外波段(2.6-3.6μm)也有响应,主要由于B-SiQDs在这一波段有很强的局部表面等离子激元效应(LSPR)。这极大的拓宽了硅基光电探测器的探测范围,实现了硅基在中红外波段的探测。
【图文】：
逦绪论逡逑格状二维材料，只有一个原子的厚度，约为０．３３５邋ｎｍ⑴，如图１．１所示。自２００４年Ｇｒ被逡逑成功的制备出来后，石墨烯独特的能带结构和优异的性能已引起了科学界的广泛研究［＞１Ｇ］。逡逑单层Ｇｒ是由共价键构成的，每个碳原子都以化学键ａ键的形式同时与相邻的三个碳原子逡逑相连，相邻两个ａ键的键长约为０．１４２邋ｎｍ，键角１２０°。而碳原子中剩下的未被杂化的电子，逡逑与周围的；？轨道电子交叠形成巨大ｔｔ键，并且大；ｒ键中的电子在平面内是可以任意移动的。逡逑同时单层Ｇｉ？也是构成不同维度碳材料的基本单元，例如可以通过卷曲组成富勒烯、碳纳逡逑米管也可以通过多层堆叠成石墨，如图１．２所示。逡逑＾逦＇ｔ逦Ｍ逦％邋．逦／逡逑ｒ逦＼逦ｆ逦＼逦／逦＼逡逑Ｑ逦０逦Ｑ逦0逦0逦Ｑ逡逑＼逦Ｊ逦％逦＞逦ｔ逦／逡逑ｆ逦§逦％逦ｇ逦＼逡逑0逦Ｄ逦0逦0逦0逦0逡逑％．逦＃逦％．逦Ｍ逦％逦．＃逡逑Ｑ逦0逦Ｑ逦Ｏ逦0邋0逡逑－ｏ逦Ｄ逦Ｏ逦Ｏ逦？0逦0逡逑＇逦ｒ＊逦．５：逦：．逦．逡逑0邋－逦０逦０逦Ｑ逦Ｄ－邋０逡逑，ｆ逦％＇逦４｝逦＼逦＾逦％逡逑ｏ逦００逦００逦ａ逡逑＾逦ｗ逦％逦Ｐ逦％逦＃逡逑Ｄ－逦0逦Ｄ…0逦０—０逡逑图１．１单层石墨烯的微结构［８］。逡逑２逡逑
１．１．２．１石墨烯的电学特性逡逑Ｇｒ奇特的零带隙的能带结构，即价带和导带以费米能级为中心对称的，且都是雒形逡逑的，其中导带和价带的交点为狄拉克点，如图１．３所示ｆ１２］。由于这种特殊的能带结构使得逡逑Ｇｒ拥有非比寻常的电学性能。由于Ｇｒ是零带隙的二维材料其内的载流子徖移率可以逡逑通过外力被调节，载流子浓度高达ｌ0１３ｃｍ－２。２００４年，Ｋ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人在室温下测得逡逑Ｇｒ中的载流子迁移率约为１．５ｘｌ0４ｃｍ２／Ｖｊ。后续的研究将迁移率提高至２ｘｌ0５ｃｎｒＶＶ＿ｓ［ｌ４］，逡逑随后Ｋ．Ｉ．Ｂｏｌｏｔｉｎ等人将这一数值进一步提高到２．５ｘｌ0５ｃｍ２／Ｖ＇ｓ［１５］，如此高的载流子迁移率逡逑也就意味着Ｇｒ将在高速芯片和传感器等应用方面将引起一场革命。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN36
本文编号：2536446
【图文】：
逦绪论逡逑格状二维材料，只有一个原子的厚度，约为０．３３５邋ｎｍ⑴，如图１．１所示。自２００４年Ｇｒ被逡逑成功的制备出来后，石墨烯独特的能带结构和优异的性能已引起了科学界的广泛研究［＞１Ｇ］。逡逑单层Ｇｒ是由共价键构成的，每个碳原子都以化学键ａ键的形式同时与相邻的三个碳原子逡逑相连，相邻两个ａ键的键长约为０．１４２邋ｎｍ，键角１２０°。而碳原子中剩下的未被杂化的电子，逡逑与周围的；？轨道电子交叠形成巨大ｔｔ键，并且大；ｒ键中的电子在平面内是可以任意移动的。逡逑同时单层Ｇｉ？也是构成不同维度碳材料的基本单元，例如可以通过卷曲组成富勒烯、碳纳逡逑米管也可以通过多层堆叠成石墨，如图１．２所示。逡逑＾逦＇ｔ逦Ｍ逦％邋．逦／逡逑ｒ逦＼逦ｆ逦＼逦／逦＼逡逑Ｑ逦０逦Ｑ逦0逦0逦Ｑ逡逑＼逦Ｊ逦％逦＞逦ｔ逦／逡逑ｆ逦§逦％逦ｇ逦＼逡逑0逦Ｄ逦0逦0逦0逦0逡逑％．逦＃逦％．逦Ｍ逦％逦．＃逡逑Ｑ逦0逦Ｑ逦Ｏ逦0邋0逡逑－ｏ逦Ｄ逦Ｏ逦Ｏ逦？0逦0逡逑＇逦ｒ＊逦．５：逦：．逦．逡逑0邋－逦０逦０逦Ｑ逦Ｄ－邋０逡逑，ｆ逦％＇逦４｝逦＼逦＾逦％逡逑ｏ逦００逦００逦ａ逡逑＾逦ｗ逦％逦Ｐ逦％逦＃逡逑Ｄ－逦0逦Ｄ…0逦０—０逡逑图１．１单层石墨烯的微结构［８］。逡逑２逡逑
１．１．２．１石墨烯的电学特性逡逑Ｇｒ奇特的零带隙的能带结构，即价带和导带以费米能级为中心对称的，且都是雒形逡逑的，其中导带和价带的交点为狄拉克点，如图１．３所示ｆ１２］。由于这种特殊的能带结构使得逡逑Ｇｒ拥有非比寻常的电学性能。由于Ｇｒ是零带隙的二维材料其内的载流子徖移率可以逡逑通过外力被调节，载流子浓度高达ｌ0１３ｃｍ－２。２００４年，Ｋ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人在室温下测得逡逑Ｇｒ中的载流子迁移率约为１．５ｘｌ0４ｃｍ２／Ｖｊ。后续的研究将迁移率提高至２ｘｌ0５ｃｎｒＶＶ＿ｓ［ｌ４］，逡逑随后Ｋ．Ｉ．Ｂｏｌｏｔｉｎ等人将这一数值进一步提高到２．５ｘｌ0５ｃｍ２／Ｖ＇ｓ［１５］，如此高的载流子迁移率逡逑也就意味着Ｇｒ将在高速芯片和传感器等应用方面将引起一场革命。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN36
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 倪朕伊;硅量子点的硼和磷掺杂[D];浙江大学;2016年
，本文编号：2536446
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