石墨烯材料制备及其在光电探测器件中的应用

发布时间：2020-04-14 14:36

【摘要】：随着人们对石墨烯不断深入的理论与实验的研究,发现石墨烯优异的性能,并且证明能够在室温稳定存在,因此,让石墨烯成为了近十年来纳米材料研究的焦点之一,并且掀起了研究石墨烯材料和相关领域的热潮。石墨烯纳米墙是纵向生长的石墨烯交叠形成的三维材料,保持了石墨烯的零带隙和层状结构特征,不仅保持了石墨烯从可见光到太赫兹宽波段吸收的特性,还解决了石墨烯吸收弱的问题,石墨烯纳米墙大面积、低成本的制备,使其在非制冷、高响应度、宽光谱光电探测器中具有广阔的应用前景。本论文通过在硅上原位生长可控的石墨烯纳米墙,制备出高性能的石墨烯纳米墙/硅异质结光电探测器,首先研究了石墨烯纳米墙的光电性能和石墨烯纳米墙/硅异质结在可见光的光响应,再利用表面电荷转移掺杂技术调控碳纳米墙的功函数,研究石墨烯纳米墙/硅异质结的热载流子发射机理及其红外光电响应特性。主要的研究内容和结论包括:(1)石墨烯纳米墙薄膜的制备与表征。利用射频等离子体增强化学气相沉积法制备了不同生长时间的石墨烯纳米墙薄膜,采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、透射电镜、高分辨率-透射电镜对石墨烯纳米墙薄膜的表面形貌、结构进行了表征与简单的分析。采用四探针法和紫外可见分光光度计研究了石墨烯纳米墙薄膜的方阻和透过率与生长时间的关系,并用拉曼进一步验证。(2)研究石墨烯纳米墙/硅异质结光电探测器的光电特性。利用在硅上原位生长石墨烯纳米墙制备出高质量界面的异质结光电探测器,测试了在可见光波段的光电响应,得到了0.52 A/W的响应度,开/关比高达2×10~7,时间响应为40μs。器件还具有105dB的高线性型动态范围以及3dB截止频率为8.5KHz。用FFT测试系统测试器件,实现了3.1fA Hz~(-1/2)的超低噪声电流谱和5.88×10~(13) cm Hz~(1/2)/W的比探测率,这也是目前为止通过测试暗电流噪声得到最大的比探测率。通过肖特基结模型拟合得到1.18的理想因子和0.69eV的势垒高度,从理论上分析了暗电流低的原因。(3)研究石墨烯纳米墙/硅肖特基结的热载流子发射机理及其红外光电响应特性。通过用热退火硅上金膜的方式制备无规则的金纳米颗粒,利用表面电荷转移掺杂技术来调控碳纳米墙的功函数。通过对不同结构,不同金属颗粒和不同GNW生长时间的GNW/Si光电探测器光响应的分析,得到了20minGNW/2nmAu/Si异质结光电探测器在1550nm的光响应最大,器件的响应度可以达到138mA/W。随后对Au纳米颗粒进行了建模分析,得到2nm金膜退火后的共振峰出现在1500nm左右区域,与实验结果相符。引入金纳米颗粒,降低了势垒高度,增强了热载流子的发射效率,器件的比探测率提高到了1.4×10~(10)cm Hz~(1/2)/W,开/关比高达10~4,时间响应为370μs。器件在3.5μm波段0V的响应度为0.44μA/W,研究石墨烯纳米墙的热载流子发射机制和高性能光电探测器件的实现方法,为红外高效光电转换器件的发展提供新思路。
【图文】：

图 1.1 (a)石墨烯的晶格结构(b)石墨烯的能带结构图[14]烯的独特结构赋予其优异的性能，如图 1.1（a）所示，每单位子。其晶格矢量可以写成： 1= 2(3, 3) 2= 2（3, 3）1.42 为碳原子与碳原子的间距，单层石墨烯的厚度约为 3.4 矢为： 1=2 3 (1, 3) 2=2 3 (1, 3)层四个价电子分别位于 2s，2px，2py，2pz 轨道，，sp2轨道杂的一个电子与处于 2p 轨道的两个电子杂交，一个碳原子的三个于同一平面上临近三个碳原子的 sp2 杂化键相连，形成 σ 键，子，与邻近碳原子的 2pz 轨道碳原子相互作用，形成活跃的 ），这两个键分别形成了石墨烯的价带与导带[16]，如图 1.1(b)

在50μm 孔径上，覆盖了单层和双层石墨烯，并且光强度扫描曲线沿黄线叠加。图1.2(b)为单层石墨烯的透射光谱，红线、绿线分别为狄拉克费米子的理论计算曲线和考虑了石墨烯的非线性的曲线，灰色区域是测试的标准偏差，插图说明了每增加一层石墨烯，透光率下降 2.3%。此外，有研究表明石墨烯的弹性模量高达 1.1Tpa，抗拉强度为 125GPa[21]。石墨烯的室温热导率约为 5×103Wm 1K 1[22]，是铜的 10 倍多，比碳纳米管和金刚石的热导率都高。由于石墨烯这些出色的性能让它在各个领域都有一席之地。1.1.2 石墨烯的制备方法在过去的十年中，石墨烯和层状材料呈指数生成，并且开发了许多生长方法，这些技术[23]可以用于科学研究和可扩展应用，如图 1.3 所示。石墨烯的制备主要有物理方法与化学方法两类
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.71;TN15

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本文编号：2627403