Ⅳ族元素低维材料生长动力学与场效应管太赫兹探测研究

发布时间：2020-03-18 08:30

【摘要】：碳、硅、锗是三种典型的IV族元素,具有相似的电子结构,且拥有多种同素异形体。近年来,一系列IV族元素低维材料的成功制备极大地拓展了材料学科的研究领域,例如石墨烯的发现掀起了对二维材料的研究热潮。随着维度的降低,低维材料表现出很多新奇的光电特性,进而拓展了其在电子学、光电子学、能量转化和存储、热电子学等领域的应用前景。本学位论文选取了IV族元素中最具代表性的两类材料开展了系统性研究。首先是聚焦在IV族元素锗硅平面纳米线异质外延的生长动力学研究。然后对IV族元素碳的同素异形体石墨烯的生长途径和光电特性开展了深入研究,研究内容包括了石墨烯无催化直接生长方法探索,和石墨烯及类石墨烯结构拓扑绝缘体材料Bi_2Te_3在太赫兹光电响应机理研究。全文分为以下三个章节:1、分别在[55？]和[1？0]方向图样化的硅衬底表面生长锗硅平面纳米线,针对图样化硅(1 1 10)表面锗硅纳米线出现的自组织、自延伸、自连接的结构,利用有限元分析的方法,结合实际观测的结果,简化锗硅异质外延的生长模型,对两种不同方向图样化硅衬底表面可能出现的几种结构建立相应的模型,分析异质结构中应力的分布,计算并比较不同结构中的总能量密度,从热力学平衡的角度得到了解释,理论结果给出的预期和实验结果相符,纳米线自组织、自连接、自延伸的生长过程遵循系统能量密度最低原理。2、提出了利用液态碳源无催化在介质和半导体衬底表面直接制备石墨烯量子点和纳米石墨烯的新方法。设计优化了基于新型芳香烃类分子(C_(14)H_9)SiH[N(C_2H_5)_2]_2的有机液态碳源。自主设计搭建了一套融入原子层控制功能的化学气相沉积系统。以此为基础实现了纳米石墨烯在二氧化硅和硅表面的直接生长。在800℃的较低温度下和Ar/H_2的氛围中,有机分子中苯环与苯环相互结合形成周期性正六边形的石墨烯结构。进一步借助原子层沉积的控制系统,实现了对纳米石墨烯薄膜厚度的精确控制,实际可控厚度达到单个原子层。该方法生长过程简单、可控,对衬底的依赖性低。已获得的纳米石墨烯薄膜的电阻约为2000ohms/sq,透光率在90%以上,在透明导电薄膜等领域有实际应用前景。3、探索研究了石墨烯在太赫兹光电响应机制。利用所建立的顶栅场效应晶体管制备工艺,设计制备了石墨烯顶栅场效应晶体管。利用本实验室的微波/太赫兹探测平台,测试了器件的输出特性曲线、转移特性曲线、微波/太赫兹波段的光电响应和时间响应,研究了石墨烯场效应管在微波/太赫兹波段的光电响应机制。获得了器件在太赫兹波段的响应度和噪声等效功率的值,分别为158V/W和67 pW/Hz~(1/2),根据器件的脉冲响应获得了太赫兹下器件的响应速度约为30μs。验证了扩散模型的正确性,即在零偏压下,器件的太赫兹响应与石墨烯电导率的关系符合(35)uμ1/s×ds/dV_G,阐明了石墨烯顶栅场效应晶体管光电响应的来源,在微波/太赫兹光照射下,沟道内石墨烯形成温度梯度,引起热载流子扩散,形成光电流。同时我们把拓扑绝缘体Bi_2Te_3与石墨烯进行了比较,制备了基于Bi_2Te_3材料的两端器件,利用本实验室的太赫兹测试平台,测试了器件的输出特性曲线和太赫兹波段的光电响应,得到了器件在0.1THz附近的响应度和噪声等效功率分别为15V/W和0.6nW/Hz~(1/2)。根据器件的脉冲响应获得了器件在0.1THz辐照下的响应速度约为9μs,比相同结构利用化学气相沉积制备的石墨烯探测器件快一个数量级,凸显了拓扑表面态在光电响应中起着重要作用,在外加电场作用下,拓扑表面态的高迁移率能够有效提高器件响应速度。本学位论文探讨了几种典型IV族元素低维材料的生长方法与机制,及其在光电探测领域的响应机制。研究成果展示了IV族元素低维材料在基础物性和光电应用领域的潜在价值,对该材料体系在光电探测领域的基础和应用研究具有一定的指导意义。
【图文】：

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第 1 章引言子呈现线性的色散关系，费米面附近石墨烯中的准粒子是无质量的 Dirac 费米子。石墨烯由于其特殊的二维结构拥有许多优良的力学和光电学特性，例如：石墨烯的机械强度很高，同时还是柔性的，它的杨氏模量理论上有 1.0TPa；石墨烯的透光率很好，单层石墨烯在可见到红外的范围内的吸收率约为 2.3%；石墨烯拥有很好的导电性能，理论上，室温下石墨烯的电子迁移率可以达到20,000 cm2/V s[21]，远远超过传统体半导体的性质；除此以外，石墨烯在室温下就可以观察到量子霍尔效应[22]，4K 以下还会出现反常量子霍尔效应[23,24]等等。由于石墨烯这些特殊的物理和化学性质，使其在柔性材料，透明电极，光电子器件，超级电容器等领域都有着广泛的应用前景，，也掀起了科学家们对二维材料的研究热潮。

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IV 族元素低维材料生长动力学与场效应管太赫兹探测研究墨，在 300nm SiO2/Si 衬底表面观察到了单层和多层测试了石墨烯的电学性质，并通过转移特性曲线测，观察到室温下石墨烯的载流子迁移率高达~15,00，迁移率更是高达~60,000 cm2/V s[20]。凭借这项工得了 2010 年诺贝尔物理学奖。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】