硅基石墨烯的制备及其光电器件性能调控
发布时间：2020-12-14 19:25
随着半导体技术、产业的日益进步,基于新能源、海量信号处理的重要需求,人们对半导体的光电性能提出了新的要求。硅材料作为半导体领域的核心材料,研究者对其光电性能尤为关切。囿于本征硅的间接带隙结构,硅本身的光电转换能力并不优秀。作为二维材料的典型代表,石墨烯在电学和光学方面都有着相当特别的性能,而且石墨烯-硅光电器件的制备工艺成本非常低,因此硅基石墨烯光电器件的制备和性能优化成为目前国际研究的前沿领域,引起广泛重视。本论文研究硅基石墨烯的制备、光电器件构造和性能,利用原位生长技术制备了硅基石墨烯,设计了硅基石墨烯新的器件结构。具体创新性结果如下:（一）利用化学气相沉积法在单晶硅表面成功直接制备了石墨烯量子点。借助与铜对甲烷的催化裂解效果,在高温下（约800摄氏度）利用挥发出的铜蒸汽,在硅片表面沉积制备出石墨烯组织。经过拉曼和X光电子能谱（XPS）的表征,确认生长的材料是不含有机基团的石墨烯量子点。进一步对材料进行光学表征,发现生长的石墨烯量子点具有光致发光的特性,且发光峰位不随量子点尺寸或者测试温度变化而移动。实验中也发现:石墨烯在硅衬底的生长具有一定的自限制情况,石墨烯在硅衬底上的覆盖率难...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．２使用石墨烯作为吸收层制作的光探测器ｉｍ，图中展示了（ａ）器件能带结构图，（ｂ）器件??结构示意图，以及（Ｃ）器件在不同频率下的响应??Ｆｉｇ．?２．２?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｕｓｉｎｇ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｓ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌ，?（ａ）?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??
Ｇａｔｅ??丄Ｌｉｇｈｔ?ｉｎ’??图２．２使用石墨烯作为吸收层制作的光探测器ｉｍ，图中展示了（ａ）器件能带结构图，（ｂ）器件??结构示意图，以及（Ｃ）器件在不同频率下的响应??Ｆｉｇ．?２．２?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｕｓｉｎｇ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｓ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌ，?（ａ）?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ａｎｄ?（ｃ）?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｉｇｎａｌ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ?ａｒｅ??ｅｘｉｈｉｂｉｔｅｄ??２．３石墨烯制备方法??因为石墨烯具有如此特别的性能，如何大批量而又高质量的制备就成了一个??关键的研究热点。不同于一般的材料，二维材料的性质随着层数的变化有着较为??明显的变化，因此制备时如何均勻的控制生长的层数，就成了制备方法发展的难??点。到目前为止，石墨烯制备常用的方法主要有机械剥离法、化学合成法和化学??汽相沉积法。本节将逐一简要介绍这些合成方法的发展以及各自的特点。??２．３．１机械剥离法??谈及二维材料，最初的结构计算结果认为单层原子构成的二维材料在热力学??的影响下
往往需要将石墨烯覆盖到另一个材料表面。因此，研究者将目光投向了常??用的成膜技术。李雪松等在２００９年的时候首次提出了在铜衬底上使用化学气相??沉积法制备大规模、均匀的单层石墨烯［２１］（图２．５）。后续研究者发现，很多其他??的过渡金属，如镍、钴、钌等［２２＿２４］，都可以用于作为化学气相沉积法生长石墨烯??的催化衬底。因为这种生长方法重复性良好，对衬底要求不高，生长面积大、质??量高，化学气相沉积已经基本成为石墨烯生产的通用方法。??．ｔ?Ｗｒｉｎｋｌｅ??１０Ｑ?ｍ?５＿????ｉ??Ｃ?Ｄ??ｌＵ＾．＾ＷＷｍｗ＾?ｇｌａｓｓ??１ｍｍ?１?＼Ｃ！ｓＡ??１?ｃｍ??Ｇｒａｐｈｅｎｅ?９?ｒａ?ｐ?ｈ?ｅ?ｎ?ｅ??，－，￣?—?，?ＳｉＱ２??图２．５?（ａＨｂ）铜基石墨烯的扫描电镜图片，从中可以看到石墨烯跨铜衬底的晶界以及轧痕进行单??层生长，（ｃＨｄ）为铜基石墨烯转移到氧化硅、坡璃衬底上的祥品照片［２１］??Ｆｉｇ．?２．５?（ａ）－（ｂ）?ｓｈｏｗ?ｔｈｅ?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ?ｏｎ?ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ?ｃｏｐｐｅｒ?ｆｏｉｌ
本文编号：2916896
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．２使用石墨烯作为吸收层制作的光探测器ｉｍ，图中展示了（ａ）器件能带结构图，（ｂ）器件??结构示意图，以及（Ｃ）器件在不同频率下的响应??Ｆｉｇ．?２．２?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｕｓｉｎｇ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｓ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌ，?（ａ）?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??
Ｇａｔｅ??丄Ｌｉｇｈｔ?ｉｎ’??图２．２使用石墨烯作为吸收层制作的光探测器ｉｍ，图中展示了（ａ）器件能带结构图，（ｂ）器件??结构示意图，以及（Ｃ）器件在不同频率下的响应??Ｆｉｇ．?２．２?Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｕｓｉｎｇ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｓ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌ，?（ａ）?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）??ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ａｎｄ?（ｃ）?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｅｔｅｃｔｏｒ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｓｉｇｎａｌ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ?ａｒｅ??ｅｘｉｈｉｂｉｔｅｄ??２．３石墨烯制备方法??因为石墨烯具有如此特别的性能，如何大批量而又高质量的制备就成了一个??关键的研究热点。不同于一般的材料，二维材料的性质随着层数的变化有着较为??明显的变化，因此制备时如何均勻的控制生长的层数，就成了制备方法发展的难??点。到目前为止，石墨烯制备常用的方法主要有机械剥离法、化学合成法和化学??汽相沉积法。本节将逐一简要介绍这些合成方法的发展以及各自的特点。??２．３．１机械剥离法??谈及二维材料，最初的结构计算结果认为单层原子构成的二维材料在热力学??的影响下
往往需要将石墨烯覆盖到另一个材料表面。因此，研究者将目光投向了常??用的成膜技术。李雪松等在２００９年的时候首次提出了在铜衬底上使用化学气相??沉积法制备大规模、均匀的单层石墨烯［２１］（图２．５）。后续研究者发现，很多其他??的过渡金属，如镍、钴、钌等［２２＿２４］，都可以用于作为化学气相沉积法生长石墨烯??的催化衬底。因为这种生长方法重复性良好，对衬底要求不高，生长面积大、质??量高，化学气相沉积已经基本成为石墨烯生产的通用方法。??．ｔ?Ｗｒｉｎｋｌｅ??１０Ｑ?ｍ?５＿????ｉ??Ｃ?Ｄ??ｌＵ＾．＾ＷＷｍｗ＾?ｇｌａｓｓ??１ｍｍ?１?＼Ｃ！ｓＡ??１?ｃｍ??Ｇｒａｐｈｅｎｅ?９?ｒａ?ｐ?ｈ?ｅ?ｎ?ｅ??，－，￣?—?，?ＳｉＱ２??图２．５?（ａＨｂ）铜基石墨烯的扫描电镜图片，从中可以看到石墨烯跨铜衬底的晶界以及轧痕进行单??层生长，（ｃＨｄ）为铜基石墨烯转移到氧化硅、坡璃衬底上的祥品照片［２１］??Ｆｉｇ．?２．５?（ａ）－（ｂ）?ｓｈｏｗ?ｔｈｅ?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ?ｏｎ?ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ?ｃｏｐｐｅｒ?ｆｏｉｌ
本文编号：2916896
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2916896.html
