窄带隙二维半导体材料的制备及光电学性质的研究
发布时间：2020-08-07 14:48
【摘要】：继石墨烯之后,人们相继发现了几大类具有独特性能的二维材料,其中典型的代表包括二维过渡金属硫族化合物(Transition Metal Chalcogenides,TMCs),黑磷(Black phosphorus,BP)和拓扑绝缘体(Topological Insulator,TI)等。相对于零带隙的石墨烯(Graphene),这些窄带隙的二维材料在光电子器件应用中具有更加明显的优势。这类材料具有与石墨类似的结构,体相都是由单原子层以范德瓦尔斯力结合堆垛形成,因此可以通过剥离或者化学气相沉积的方法得到单层或数层的结构。同时,在电学性质方面,它们的禁带宽度都普遍较小,能够吸收可见到近红外波段的光,从而实现多种功能化应用;而利用范德瓦尔斯力对两种或多种材料进行堆叠并形成异质结,则可以充分拓展二维材料在光电探测领域的应用。基于此,本论文对硫化铂(PtS_2),硒化铂(PtSe_2),黑磷(BP),碲化铋(Bi_2Te_3)以及石墨烯-碲化铋(Graphene-Bi_2Te_3)异质结等新型二维窄带隙材料的制备过程以及光电学方面的应用进行了系统研究,获得了如下结果:1.分别利用溶液法和化学气相沉积法制备了碲化铋和石墨烯-碲化铋(Graphene-Bi_2Te_3)异质结材料并对其光电学特性进行了系统表征。通过散射式近场光学显微镜(s-SNOM),观察到了碲化铋样品的表面金属电子态的等离激元,并研究了入射波长、碲化铋晶体的厚度和形貌的对其等离激元的特性影响;制备了一种基于石墨烯-碲化铋异质结的具有强吸收和局域光场耦合效应的等离子体增强器件,获得了高出纯石墨烯三倍的场增强信号,并证明可通过改变光栅周期性来调节石墨烯-碲化铋异质结的共振峰;通过使用开孔Z扫描技术对碲化铋纳米片和不同覆盖率的石墨烯-碲化铋异质结的非线性光学响应进行测量后,发现碲化铋纳米片表现出超宽带可饱和吸收特性,石墨烯-碲化铋异质结构比纯石墨烯具有更大的调制深度,且通过控制碲化铋纳米片的覆盖范围,调制深度从14.7%到50.1%可调;利用石墨烯-碲化铋异质结制备出一种高效的光电探测器和一种基于光纤布拉格光栅的全光探测器,通过结合石墨烯和碲化铋的优势,基于石墨烯-碲化铋异质结的光探测器不仅显示出极高的响应度,而且还具有从可见光到近红外波长的宽带光电探测性能。2.用矿化剂辅助气相相变法制备获得了厘米尺寸的硒原子均匀分布的高质量硒掺杂黑磷块体,并通过改变生长条件实现了硒元素的可控掺杂。对获得的硒掺杂黑磷块体使用机械玻璃的方法,成功制备了硒掺杂黑磷薄膜场效应晶体管,其开关比可达10~5,载流子迁移率为561 cm~2V~(-1)s~(-1),而掺杂1.6%硒的黑磷光探测器响应率是本征黑磷的20倍。通过在黑磷薄膜的上方沉积Si_xN_y层可有效实现n型掺杂,掺杂后电子迁移率显着提高至~176 cm~2V~(-1)s~(-1),同时提高了器件的输出电流,并在此基础上实现了黑磷的平面p-n结构筑。值得一提的是,Si_xN_y层还能显著提高黑磷在空气中的稳定性。3.通过光刻辅助和化学气相沉积的方法在2英寸SiO_2/Si基底上成功制备出PtS_2、PtSe_2、PtS_2-PtSe_2异质结、不同厚度PtS_2-PtS_2和PtSe_2-PtSe_2同质结材料的光电二极管阵列结构,并系统地研究了器件的光电学性能,结合理论计算与开尔文探针显微镜(KPFM)以及紫外光电子能谱(UPS)实验结果,证明PtS_2-PtSe_2异质结界面形成了内建电场。异质结界面形成的内建电场使PtS_2-PtSe_2光电二极管器件在光照射下具有自驱动光电响应,且器件具有在405~2200 nm宽波段范围的光响应性能,器件的光响应率高达361 mAW~(-1),外量子效率(EQE)达到84%。利用开孔Z扫描技术测量了PtSe_2的非线性光学性质,发现PtSe_2在1064 nm近红外波段具有26%的高调制深度和0.346 GWcm~(-2)的饱和强度,是一种理想饱和吸收体。将PtSe_2的可饱和吸收体插入镱掺杂光纤激光器,可产生典型的孤子锁模脉冲信号,其锁模脉冲的中心波长在1064.47 nm处,脉冲宽度为470 ps,3-dB光谱带宽为2.0 nm,重复频率为4.08 MHz,信噪比为53 dB。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【图文】：
图 1-1．几种典型二维材料。Figure 1-1. Several kinds of typical 2D materials.18维窄带隙材料的发展石墨烯理论和应用研究的不断发展，石墨烯研究在应用中也遇到石墨烯能的直接带隙带结构制约其作为半导体开关器件的应用性吸收强度较弱、非线性光学调制深度低（~1%），这都限制其9,20。因此，科研工作者迫切希望找到合适的类石墨烯材料弥补石找到合适的石墨烯替代材料21。近年来，二维材料如过渡金属硫）22，黑磷（BP）23，拓扑绝缘体（TI）24，石墨烯异质结等类石料，由于它们优异的光学和电学性能，再一次吸引了很多研究材料研究领域。
图 1-2．范德瓦尔斯异质结构建示意图。Figure 1-2. Schametic illustration of fabricating van der Waals heterostructures.12关于石墨烯-窄带隙材料二维异质结结构的制备及光电应用已有大量报道。结构体系的非线性光学响应特性也有了初步探索。Wang 等通过两步化学气相法制备 Bi2Te3-石墨烯材料55，在 1067 nm 波长下通过 Z 扫描探测技术观测到质结材料的饱和吸收强度为 2.61 MWcm-2且光学非线性吸收调制深度为 23.1们的成果充分证明了以石墨烯为基础结合其它窄带隙材料制备的异质结材料光电学应用领域有着极大潜力。特别在将石墨烯基光探测器件探测波长进一宽到中红外甚至远红外波段，并提高响应率56。石墨烯无带隙的并有高的载流移率的特点，拓扑绝缘体这种体态带隙很大几乎等同于绝缘体，但表面态能和石墨烯类似狄拉克锥形无带隙的，将石墨烯同拓扑绝缘体进行结合，这种的复合材料意味着它的吸收可以满足中远红外波段的探测。此外，拓扑绝缘
图 1-3．对比黑磷与不同的二维半导体材料的带隙。gure 1-3. Comparison of the band gap values for different 2D semiconductor materia从 1914 年，美国科学家 Percy Bridgman 在高温高压环境下59,60，将出磷元素新的同素异构体黑磷以来。黑磷材料一直受到科研工作这1-63。特别是在 2013 年，复旦大学张远波教授通过手撕剥离出黑磷烯以科研人员大量应用于光电学器件中，以研究它的本征性质。通过这层黑磷是典型的类石墨烯材料，首先，黑磷块体是单层的磷原子通力堆叠而成的二维晶体材料；其次，黑磷材料的带隙随厚度变化在 0.间变化（图 1-3）；另外，黑磷材料表现出非常优异的载流子迁移率以，报道基于块体黑磷的光电器件的载流子迁移率达 10000 cm2V-1s-1，光电器件上也能达到 1000 cm2V-1s-1；最后，黑磷也是一个平面内具范德华结合层状材料。这些优异的性质使得黑磷在超快光电子学研在近红外波长，具有很好应用的前景，另外黑磷的平面内的各向异
本文编号：2784138
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【图文】：
图 1-1．几种典型二维材料。Figure 1-1. Several kinds of typical 2D materials.18维窄带隙材料的发展石墨烯理论和应用研究的不断发展，石墨烯研究在应用中也遇到石墨烯能的直接带隙带结构制约其作为半导体开关器件的应用性吸收强度较弱、非线性光学调制深度低（~1%），这都限制其9,20。因此，科研工作者迫切希望找到合适的类石墨烯材料弥补石找到合适的石墨烯替代材料21。近年来，二维材料如过渡金属硫）22，黑磷（BP）23，拓扑绝缘体（TI）24，石墨烯异质结等类石料，由于它们优异的光学和电学性能，再一次吸引了很多研究材料研究领域。
图 1-2．范德瓦尔斯异质结构建示意图。Figure 1-2. Schametic illustration of fabricating van der Waals heterostructures.12关于石墨烯-窄带隙材料二维异质结结构的制备及光电应用已有大量报道。结构体系的非线性光学响应特性也有了初步探索。Wang 等通过两步化学气相法制备 Bi2Te3-石墨烯材料55，在 1067 nm 波长下通过 Z 扫描探测技术观测到质结材料的饱和吸收强度为 2.61 MWcm-2且光学非线性吸收调制深度为 23.1们的成果充分证明了以石墨烯为基础结合其它窄带隙材料制备的异质结材料光电学应用领域有着极大潜力。特别在将石墨烯基光探测器件探测波长进一宽到中红外甚至远红外波段，并提高响应率56。石墨烯无带隙的并有高的载流移率的特点，拓扑绝缘体这种体态带隙很大几乎等同于绝缘体，但表面态能和石墨烯类似狄拉克锥形无带隙的，将石墨烯同拓扑绝缘体进行结合，这种的复合材料意味着它的吸收可以满足中远红外波段的探测。此外，拓扑绝缘
图 1-3．对比黑磷与不同的二维半导体材料的带隙。gure 1-3. Comparison of the band gap values for different 2D semiconductor materia从 1914 年，美国科学家 Percy Bridgman 在高温高压环境下59,60，将出磷元素新的同素异构体黑磷以来。黑磷材料一直受到科研工作这1-63。特别是在 2013 年，复旦大学张远波教授通过手撕剥离出黑磷烯以科研人员大量应用于光电学器件中，以研究它的本征性质。通过这层黑磷是典型的类石墨烯材料，首先，黑磷块体是单层的磷原子通力堆叠而成的二维晶体材料；其次，黑磷材料的带隙随厚度变化在 0.间变化（图 1-3）；另外，黑磷材料表现出非常优异的载流子迁移率以，报道基于块体黑磷的光电器件的载流子迁移率达 10000 cm2V-1s-1，光电器件上也能达到 1000 cm2V-1s-1；最后，黑磷也是一个平面内具范德华结合层状材料。这些优异的性质使得黑磷在超快光电子学研在近红外波长，具有很好应用的前景，另外黑磷的平面内的各向异
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 刘姝妤;钟绵增;孟秀清;李京波;王沅倩;肖思;何军;;ZnO/ZnS核-壳量子点的双光子吸收效应(英文)[J];发光学报;2015年02期
2 匡达;胡文彬;;石墨烯复合材料的研究进展[J];无机材料学报;2013年03期
3 袁小亚;;石墨烯的制备研究进展[J];无机材料学报;2011年06期
本文编号：2784138
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