基于石墨烯墙的光电探测器

发布时间：2020-11-21 04:11

　　 光电探测器不管是在军事还是民用领域都有着广泛的应用,在军事领域用来制导、夜视成像和遥感监测,民用领域被用作烟雾报警、健康医疗以及安防等。石墨烯墙是一种具有优异光学和电学性能的三维碳材料,并且能够大面积、低成本的制备,这些特性使得石墨烯墙在光电探测领域具有广阔的应用前景及市场潜力。本论文系统地针对石墨烯墙光电性能以及基于石墨烯墙的光电导型探测器进行了研究。具体的研究内容包括以下几个方面:1.石墨烯墙的生长与表征。利用成熟的射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)方法通过控制不同的气体比例、生长温度和生长时间在硅和铜箔基底上合成了不同高度的石墨烯墙。并且,使用一系列的表征测试仪器包括SEM、AFM、拉曼光谱仪、红外光谱仪等对石墨烯墙的表面形貌、结构、光学性能等进行了表征。2.石墨烯墙的转移工艺。采用与石墨烯类似的转移方法将石墨烯墙从铜箔转移到其它基底,包括硅、PDMS和PET。由于石墨烯墙比石墨烯更加牢固,转移过程中无需旋涂PMMA保护,另外选用了较温和的过硫酸铵刻蚀液来刻蚀铜箔。为了方便转移,通过氧等离子体(或者紫外臭氧)对基底进行了亲水性处理。3.高分子柔性基底与石墨烯墙复合器件的制备研究。石墨烯墙与三种具有不同热膨胀系数(CTE)的基底(硅、PET、PDMS)复合后,器件具有不同的电阻温度系数(TCR)。对于PDMS/GNWSs器件,由于PDMS较高的热膨胀系数以及石墨烯墙超高的红外吸光率,最后测得器件的TCR最高能够达到180%/K。当人体作为红外辐射源的时候,器件探测到的最大电流变化率为16%。同时器件对波长980nm的红外激光和红外灯也有不错的响应,响应率和比探测率分别为1.15mA/W和1.07×10~8 cmHz~(1/2)W~(-1),好于传统碳纳米管材料的光电探测器。在柔性性能方面,将器件多次弯曲,重复1000次,器件性能仍没有明显变化,这说明高强度的弯曲没有对该器件造成损坏,这在实际应用中有十分重要的意义。而对于PET/GNWSs器件,能够对多个波段红外光响应,测试得到的最长响应波长为1750nm,同时器件也具备较好的柔性性能,此前,很少有工作涉及到利用石墨烯墙作为红外探测器的敏感材料,这项工作表明,石墨烯墙有应用在红外探测领域的潜力。4.硅/石墨烯墙复合的光电导器件的制备研究。通过将不同掺杂类型硅(本征硅、p硅和n硅)与石墨烯墙复合,得到Si/GNWSs肖特基势垒器件,测试了不同石墨烯墙厚度以及不同沟道尺寸下的光电响应。为了得到沟道更窄的石墨烯墙,重点研究了石墨烯墙的图形化工艺,利用半导体光刻与刻蚀工艺得到了目标尺寸,并初步测得不同尺寸窄沟道的响应。另外,通过在硅的背面施加栅极电压对硅/石墨烯墙势垒进行调控进而调控载流子,使得器件的增益得到显著的增加,同时响应率也有一个很大的提升。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN36
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 光电探测器
        1.2.1 光电探测器的类别与一般原理
        1.2.2 光电探测器的应用
        1.2.3 光电探测器的性能指标
    1.3 典型的碳材料光电探测器
        1.3.1 石墨烯光电探测器
        1.3.2 石墨烯量子点光电探测器
        1.3.3 碳纳米管光电探测器
    1.4 石墨烯墙薄膜的性质及其应用
        1.4.1 石墨烯墙的结构与生长机理
        1.4.2 石墨烯墙的主要性能
        1.4.3 石墨烯墙的应用现状
    1.5 本论文的主要工作内容与目的
        1.5.1 基于石墨烯墙的柔性红外探测器
        1.5.2 与硅工艺兼容的高响应宽波段石墨烯墙光电探测器
第二章 石墨烯墙的制备与表征
    2.1 石墨烯墙的制备
    2.2 石墨烯墙的表征
        2.2.1 表征仪器简介
        2.2.2 石墨烯墙的SEM形貌
        2.2.3 石墨烯墙的红外吸收率
        2.2.4 石墨烯墙拉曼特征峰
        2.2.5 石墨烯墙的三维结构
    2.3 本章小结
第三章 石墨烯墙与高分子复合的柔性红外探测器
    3.1 高分子材料PDMS和PET简介
        3.1.1 PDMS简介
        3.1.2 PET简介
    3.2 器件的制备
    3.3 不同基底对器件TCR的影响
    3.4 红外辐射响应理论
        3.4.1 红外热探测原理示意图
        3.4.2 红外热探测器性能的理论
    3.5 PDMS与GNWSs复合器件的热响应
    3.6 红外响应与柔性性能
        3.6.1 PDMS与石墨烯墙复合器件的红外响应和柔性性能
        3.6.2 PET与石墨烯墙复合器件的红外与柔性响应性能
    3.7 本章小结
第四章 硅/石墨烯墙宽波段高响应光电导探测器的设计与实现
    4.1 器件结构与理论
    4.2 硅/石墨烯墙复合器件光电响应
        4.2.1 本征硅/石墨烯墙光电响应
        4.2.2 P硅/石墨烯墙的光电响应
        4.2.3 N硅/石墨烯墙的光电响应
    4.3 石墨烯墙图形化工艺
        4.3.1 AZ3100作为掩蔽层刻蚀石墨烯墙
        4.3.2 AZ1500取代AZ3100掩蔽层
        4.3.3 金属Ni作为石墨烯墙刻蚀的掩蔽层
        4.3.4 LOR二次胶工艺
    4.4 窄沟道器件的制备与测试
        4.4.1 工艺流程
        4.4.2 器件响应测试
    4.5 本章小结
第五章 结论与展望
致谢
参考文献
攻读硕士期间取得的成果

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本文编号：2892502