石墨烯红外探测性能研究

发布时间：2021-08-31 09:30

　　石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料,其超高的电子迁移率、独特的能带结构、极低的能态密度和可调谐的载流子浓度等性质,使之成为了近年来光电探测特别是红外探测领域的研究热点。本文以石墨烯-金异质结为研究对象,实验制备了石墨烯-金平面异质结器件并测试了其红外探测性能,揭示了石墨烯-金异质结的光电响应特点和相关物理机制。论文首先运用能带理论对石墨烯和金构成的平面异质结的光电性质进行了分析,随后设计并制备了基于石墨烯-金异质结的可见光-红外光电探测器件。此外,本文还运用有限元电磁仿真工具Ansoft HFSS对“金属-介质-石墨烯-天线”等离子体结构进行了设计和仿真,在实验和理论上研究了该结构在中红外波段的光吸收特性。论文的主要内容和研究成果包括:（1）利用能带理论分析了石墨烯-金异质结独特的能带结构和光电探测机制,并据此设计出一种梳状金电极和单层石墨烯构成的平面异质结光伏探测器件。根据经典能带理论,构建了石墨烯-金异质结能带结构,结果表明该异质结结构可能会通过光伏效应产生光电压。（2）实验制备出石墨烯-金异质结红外探测器件样品。主要的器件制备工艺包括石墨烯的制备与转移、梳状金电极的图形化制备... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

石墨烯的原子结构图

第一章 绪 论质量取决于能带曲率，所以石墨烯中的载流子的有效质量为零，这种载流子被称作[6]狄拉克费米子 ，表现出类似于光子的性质。由于石墨烯中的载流子属于费米子，所以必然满足Pauli不相容原理。因此，在发生光电效应时，电子吸收入射光子的能量后，不断地从价带被激发到导带并填充相应的能态，但随着入射光强度的逐步增大，费米面上所有能态都会被依次填充完毕，带间跃迁被阻断。此时，继续增大光照强度将不会提高石墨烯的光吸收，也就是说，石墨烯 存在对光的可饱和吸收效应。

现对光的约束和操控，增强了入射光子 和石墨烯之间的相互作用，从而显著提高了响应度。在国内，北京大学的朱星教授课题组发表的一篇文献提出了一种基于自组装“七聚物”纳米壳结构的等离子体增强 石墨烯探测器件（图1-3 (b)），将可见光到近红外波段的光响应提高了[10]7倍 。除等离子体增强机制外，近年来学术界还报道了通过引入法布里-珀罗微腔来增强吸收的微腔型石墨烯探测器[11]，将PbS量子点、钙钛矿量子点与石墨烯相结合的量子点混合型石墨烯探测器[12]等探测器，如图1-3所示。从探测原理上讲，上述几种探测器都是通过增强石墨烯与光的相互作用来提高探测率的光导型场效应管探测器。(a) (b)(c) (d)图1-3 不同类型石墨烯探测器。(a)非对称插指结构石墨烯场效应管探测器[8]；(b)自组装“七聚物”金属纳米壳-石墨烯探测器[10]；(c)量子点混合石墨烯探测器[11]；(d)F-P谐振腔石墨烯探测器[12]除上述光电导型以外，石墨烯光电探测器的另一种常见模式是基于异质结原

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3374658