高效石墨烯光电与热电器件

发布时间：2020-08-21 09:56

【摘要】：新型二维材料的制备以及性能调控和器件应用是当今纳米材料研究领域的热点课题,而石墨烯作为二维材料的代表,因为它优异的电学和光学性质,在微电子与光电子器件上的研究一直受到广泛关注。然而单一的二维材料拥有的缺点使得其在微电子、光电子器件中的应用受到限制,因此二维材料复合体系是实现高效二维材料器件应用的关键路径。石墨烯的零带隙影响了其在光电器件的应用,但是利用石墨烯/三维半导体异质结具有浅结特性可以实现高效的发光二极管;石墨烯极大的热导率限制了其在热电器件的应用,但是利用掺杂的石墨烯组装膜可以实现高功率因子的热电器件。同时石墨烯异质体系在电子器件设计上有高度的灵活性,可以实现更多的器件结构。基于此,本文针对石墨烯/三维半导体异质结的浅结特性,引入隧穿机制,制备出了高外量子效率的石墨烯/氮化铝镓/氮化镓双色发光二极管;本文针对石墨烯费米能级高度可调,提出了氯化铁插入掺杂的大面积石墨烯热电膜。本论文的具体工作如下:(1)通过化学气相淀积法和液相剥离法制备石墨烯,并利用微纳工艺制备了石墨烯半导体异质器件。(2)提出并研究了一种石墨烯/氮化铝镓/氮化镓双色发光二极管,系统研究了氮化铝镓引入的隧穿机理,以及表面生长的氧化铝层的电子阻挡作用,大大提升的器件外量子效率。(3)采用液相剥离与组装的方法制备石墨烯热电膜,利用氯化铁对石墨烯的掺杂,调节石墨烯的载流子浓度,进而提高了塞贝克系数与电导率,从而提高功率因子。在室温下功率因子高达8.4 μW cm-1 K-2。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15;TQ127.11
【图文】：

近年来基础研究的完善，在理论研究基础上，越来越多研究者开始对石墨烯在微逡逑电子与光电子器件上应用进行研究。逡逑石墨烯是一种只由碳原子构成的单原子层厚度二维晶体，结构如图１．１所示。逡逑作为单层二维材料，石墨烯只有一个原子层的厚度，大约为0．３５ｎｍ。与石墨的逡逑结构类似，石墨烯中碳原子通过ｓｐ２杂化轨道方式排列形成六角形蜂窝状的晶胞逡逑［２］。根据紧束缚模型，可推导出石墨烯的色散关系［３］：逡逑ＴＪｉ邋￣＾逦７ａ￣ＴＪ３邋￣逡逑Ｅ（Ａ）：邋＝邋±／邋１邋＋邋４ｃｏｓ」々．ｔ邋ｃｏｓ邋＋邋４ｃｏｓ—邋—ｋｖ邋，逦（１－１）逡逑Ｖ邋Ｖ邋２邋Ｊ邋＇邋Ｊ邋＼２邋Ｊ逡逑其中，Ｅ为电子能量，；ｒ邋＝邋３．１邋ｅＦ为石墨烯的转移能量，ａ为石墨烯碳－碳逡逑键搖长的？＞／！倍，基于公式１－１，可以算出石墨烯的能带结构，如图丨．２所示。可逡逑见在狄拉克点，石墨烯的导带与价带的顶点重合，所以石墨烯具有半金属性。由逡逑于这种特殊能带

近年来基础研究的完善，在理论研究基础上，越来越多研究者开始对石墨烯在微逡逑电子与光电子器件上应用进行研究。逡逑石墨烯是一种只由碳原子构成的单原子层厚度二维晶体，结构如图１．１所示。逡逑作为单层二维材料，石墨烯只有一个原子层的厚度，大约为0．３５ｎｍ。与石墨的逡逑结构类似，石墨烯中碳原子通过ｓｐ２杂化轨道方式排列形成六角形蜂窝状的晶胞逡逑［２］。根据紧束缚模型，可推导出石墨烯的色散关系［３］：逡逑ＴＪｉ邋￣＾逦７ａ￣ＴＪ３邋￣逡逑Ｅ（Ａ）：邋＝邋±／邋１邋＋邋４ｃｏｓ」々．ｔ邋ｃｏｓ邋＋邋４ｃｏｓ—邋—ｋｖ邋，逦（１－１）逡逑Ｖ邋Ｖ邋２邋Ｊ邋＇邋Ｊ邋＼２邋Ｊ逡逑其中，Ｅ为电子能量，；ｒ邋＝邋３．１邋ｅＦ为石墨烯的转移能量，ａ为石墨烯碳－碳逡逑键搖长的？＞／！倍，基于公式１－１，可以算出石墨烯的能带结构，如图丨．２所示。可逡逑见在狄拉克点，石墨烯的导带与价带的顶点重合，所以石墨烯具有半金属性。由逡逑于这种特殊能带

第一章绪论逡逑的可见光吸收率只有２．３％［１０］。石墨烯拥有线性能带特性，其光学特性不会随着逡逑层数的变化而改变，如图１．３ａ所示，石墨烯厚度每增加一层，它对白光的吸收逡逑也就会逐渐增加［１１］。由于石墨烯半导体异质结的结区位于器件表面，可以运用逡逑多种表面光场调控手段对器件的性能进行调节优化。特别的，当制作发光二极管逡逑器件时，拥有表面结区的石墨烯器件可以大幅减少光自吸收，实现高的量子效率。逡逑结合其导电性能等出众性质，石墨烯也可取代氧化铟锡等透明导电材料，应用在逡逑光电探测器等光电器件领域［１２］。逡逑（ａ）逦？＃邋ｌ００ｒ邋ｔ邋ｎ逡逑ｗｈｉｔｅ邋ｌｉｇｈｔ邋，ｄｅａｌ逡逑？邋ｙ邋Ｄ，，—洽＝似逡逑％邋Ｗ邋２．３％邋０１逦？逦■逦Ｓ９８．／逦——Ｉ邋一邋卜Ｖ、逡逑内．ｂｌ＿］邋Ｉ逡逑４００逦５００逦６００逦７００逡逑ｄｉｓｔａｎｃｅ邋（｜ｉｍ）逦ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋Ａ邋（ｎｍ）逡逑图１．３邋（ａ）石墨烯的透光性随层数变化，（ｂ）石墨烯的可见光透射率分别［１０］。逡逑除了以上提到的电学和光学性质

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本文编号：2799233