可控制备低维宽波段探测材料及其光电探测性能研究

发布时间：2020-11-11 04:52

　　 由于具有一系列独特的物理化学性质,低维半导体材料在电子学、光电子学、力学、传感器等研究领域受到了广泛的关注。目前,随着纳米技术的发展以及半导体行业的需求,低维半导体材料的理论筛选、可控制备、量子尺度下物性研究均存在很多亟需解决的问题。在光电探测器研究领域,充当沟道材料的低维半导体需要具备合适的能带带隙、高质量的晶体质量以及可控的尺寸和几何结构。宽波段探测是现今光电探测技术的发展要求之一。本论文采用固态源化学气相沉积(CVD)方法可控制备了探测可见光的全无机钙钛矿前驱物PbI2纳米带以及探测红外光的全无机无铅CsSnX3钙钛矿纳米线阵列和全组份可调的Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs1-xSbx纳米线,并进一步研究了覆盖可见光到红外光的光电探测器的器件性能。具体内容归纳如下:1.可控制备大尺寸、高质量PbI2纳米带及其光电探测性能研究:采用简单易操作的固态源CVD方法实现两步法自催化制备大尺寸(长度大于100 μm)、高结晶质量的PbI2纳米带。制备的PbI2纳米带带隙为2.36eV,对可见光展示出良好的探测性能:4 pA的低暗电流,103-104的电流开关比,13 mA·W-1的响应率和425 ms和41 ms的上升与下降时间等。所有结果表明所制备的大尺寸、高质量PbI2纳米带在新一代高性能光电探测器件中有着巨大的应用潜力。相关结果发表在 Journal of Materials Chemistry C,2018,6,5746。2.可控制备全无机无铅钙钛矿纳米线阵列及其红外光探测性能研究:采用固态源CVD方法在云母衬底上可控制备了全无机无铅CsSnX3(X=Cl,Br和I)钙钛矿纳米线阵列。一方面,避免了 Pb元素的毒性:另一方面,减小现有的钙钛矿半导体材料带隙至近红外波段。通过调节Br/I元素比,所制备的CsSnX3(X=Br和I)钙钛矿纳米线阵列的带隙从1.84eV降低到1.34eV,并首次实现了基于全无机钙钛矿半导体材料的红外探测器件,展示出优良的探测性能:3.85×105 Jones的高探测率,54 mA·W-1的响应率以及83.8 ms和243.4 ms的上升与下降时间等。所有结果都表明制备的全无机无铅CsSnX3钙钛矿纳米线阵列在新一代高性能光电探测器中有着巨大的应用潜力。相关结果发表在The Journal of Physical Chemistry C,2019,123,17566。3.可控制备全组份可调GaAs1-xSbx纳米线及其红外探测性能研究:基于窄带隙Ⅲ-Ⅴ族半导体,可以通过能带工程实现宽谱段红外探测。该成果中采用简单且低成本的表面活性剂辅助固态源CVD方法可控制备了全组分可调的高质量GaAs1-xSbx纳米线,对1310 nm红外光展现出优秀的探测性能:5.6×108 Jones的高探测率,616.4 A · W-1的高响应率以及2.4 ms和6.3 ms的上升与下降时间等。总之,本研究结果将为宽波段光电探测器件沟道材料设计以及性能提升提供理论与技术支持。相关结果正在整理,待发表中。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN215;TN304
【部分图文】：

了一番“纳??米热潮”。??到了?２００４年，英国科学家Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ与Ｇａｉｍ通过机械剥离的方法成功剥??离出稳定的二维材料单层石墨烯，吸引了研宄人员的广泛关注。１４石墨烯同样具??有一系列优异的物理性质，然而无带隙的半金属特性限制了其在半导体领域的发??展。２３在此之后，人类对二维材料的探索也在不断前进，相继发现了六方氮化硼??（ｈ－ＢＮ）：?Ｍ０Ｓ２、ＷＳ２、ＶＳｅ２等过渡金属硫族化合物（ＴＭＤｓ）；硅烯、锗烯、黑??磷（ＢＰ）等结构及性质各异的材料。９’１Ｑ’２３??图１－２．石墨烯薄膜的（ａ）光学图像以及（ｂ）单层石墨烯ＡＦＭ图像１４??近年来，低维半导体材料虽然在生长制备、性能探索等方面研究有着很大的??进展，并且也在逐步尝试推广应用，但是关于其的研究，无论是材料筛癣物理??机理、器件工艺，还是与之相关的量子调控方面的研宄等，都还有很多亟待解决??的问题，未来人们关于这些问题的深入研宄将更有助于低维半导体材料在实际生??产生活中的推广和应用。??１．３低维半导体材料的可控制备??低维半导体材料的制备方法一般可以分为两大类：一是将块体材料通过刻蚀、??纳米刻印等技术“打磨”成纳米尺度的“自上而下”（Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ）制备方法，３３以这??种方法制备的低维材料一般会保留其体材料原有的大部分物理参数，例如杂质浓??度、晶体方向等，但是“自上而下”的方法在生产的过程中，不可避免地会产生原??３??

１。，荖??＞?Ｉ?ａ．??耷?ＧａＰ?喻；??＂〇?＾?＊?ＧａＡｓＰ?Ｇａ２ｏ３．??＞?＊?Ｐｅｒｏｖｓｋｔｅ?（ｌｎ５ＡＩ）ＧａＮ?气吩、１：＇．、…弋??Ｅ?Ｑ?Ｌｏｗ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｊｉａｌ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?黎：二二?１???３?ＱＷ：?ｑｕａｎｔｕｍ?ｗｅｌｔ；?ＱＤ：?ｑｕａｎｔｕｍ?ｄｏｔ?ＳｉＣ?ｄｉａｍｏｎｄ??？?????．．?．．??￣￣—?．．．．?ｔ??１９４０?１９６０?１９８０?２０００??图１－４．光电探测材料的发展历程２３??早在１８７３年，英国的Ｗ．史密斯就发现了硒的光电导效应，但是受当时条件??的限制，这种效应长期处于理论探索阶段，并未获得实际应用。十五年后，德国??科学家赫兹和他的助手勒纳德利测定了带电粒子的电荷质量比，并对外光电效应??进行了系统的实验研宄。二十世纪三十年代，俄国的库别茨基利用光阴极以及连??续设置的打拿极制成了世界上第一个光电倍增管。四十年代初，测辐射热计及温??差型红外探测器相继问世。第二次世界大战之后，随着半导体微电子技术的发展，??６??

命以及较高??的载流子迁移率等性质，低维纳米材料在光电探测器的应用中显示出很多优异的??光电特性，例如高响应率、超高内禀光电增益、快速响应、亚波长效应、低功耗??等等。此外，由于低维材料的尺寸小，且与目前半导体微电子技术有着良好??的兼容性，基于低维材料的光电探测器进一步促进了光电探测器的高度集成和小??型化，这对未来高性能光电探测系统的发展至关重要。??早在２００１年，美国哈佛大学Ｃｈａｒｌｅｓ?Ｍ．?Ｌｉｅｂｅｒ课题组成功制备了单晶ＩｎＰ??纳米线，并首次将其制成光电探测器，如图１－５所示。同时表征了单根ＩｎＰ纳米??线的光致发光（ＰＬ）性质，发现其对不同方向偏振光的响应有着惊人的各向异性。??这种本征的各向异性在集成光子电路、光开关互联、近场成像及高分辨探测器等??丨Ｈｉ园??Ｉ?。［?令一一一?一??＊?Ｐｃ＾ｒｔｆ?ｄｉｆｉｓｌｔｙ??图１－５．单根ＩｎＰ纳米线的（ａ）?ＡＦＭ图像与（ｃ，?ｄ）?ＰＬ光学偏振特性及（ｂ，?ｅ）偏振光探测??器测试与性能４１??２０１３年，Ｇ．?Ｚ．?Ｓｈｅｎ课题组通过简单的ＣＶＤ方法，成功合成了?ｐ型单晶??Ｚｎ３Ａｓ２纳米线，空穴迁移率达到３０５．５?ｃｍ２?？?Ｖ－１?？?Ｓ－１。并分别在刚性Ｓｉ０２／Ｓｉ衬底??及柔性ＰＥＴ衬底上通过接触印刷的方法，制成了阵列纳米线光电探测器件。相??比于单根纳米线器件，阵列纳米线器件显示出更强的光电性能。此外，在柔性衬??底上的演示进一步拓展了低维光电器件的应用。４２??１０??
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本文编号：2878771