【摘要】：光電探測(cè)技術(shù)在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事國(guó)防等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,而光電探測(cè)器是光電探測(cè)系統(tǒng)中的核心部件,起到至關(guān)重要的作用。隨著光電探測(cè)技術(shù)不斷向小型化、智能化以及低能耗的方向發(fā)展,傳統(tǒng)的光電探測(cè)材料正在逐漸失去優(yōu)勢(shì)。尤其是國(guó)防科技領(lǐng)域?qū)�、中、遠(yuǎn)紅外高性能光電探測(cè)器的需求日益緊迫,尋找新型光電探測(cè)材料從而實(shí)現(xiàn)寬波段、高響應(yīng)度的超快光電探測(cè)器成為趨勢(shì)。近年來(lái),石墨烯(graphene)、過(guò)渡金屬硫族化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)以及拓?fù)?晶體)絕緣體(topological insulator/topological crystalline insulator,TI/TCI)等新型二維納米材料以其獨(dú)特且優(yōu)異的電、光、熱等性質(zhì)在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中吸引了廣泛研究,預(yù)示著在新一代高性能光電探測(cè)器方面具有巨大的應(yīng)用潛力。但是,目前基于石墨烯、過(guò)渡金屬硫族化物以及拓?fù)?晶體)絕緣體的光電探測(cè)器在響應(yīng)機(jī)理、器件調(diào)控、綜合性能、可控量產(chǎn)等方面距實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。本文針對(duì)新型二維納米材料光電探測(cè)器存在的以上突出問(wèn)題,首先研究了WSe_2/graphene異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的響應(yīng)和調(diào)控機(jī)理,其次研究了PbS量子點(diǎn)對(duì)WSe_2/MoSe_2異質(zhì)結(jié)探測(cè)器性能的增強(qiáng)作用,然后研究了拓?fù)渚w絕緣體SnTe光導(dǎo)型探測(cè)器的中紅外響應(yīng),最后研究了拓?fù)浣^緣體Sb_2Te_3/STO異質(zhì)結(jié)光伏型探測(cè)器的超快近紅外響應(yīng)。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:1)分析了電、光對(duì)WSe_2/graphene異質(zhì)結(jié)費(fèi)米能級(jí)的雙重調(diào)制機(jī)制,豐富了二維材料異質(zhì)結(jié)的理論基礎(chǔ)。針對(duì)石墨烯、TMDCs單質(zhì)探測(cè)器各自響應(yīng)度低、速度慢的缺點(diǎn),通過(guò)機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了WSe_2/graphene異質(zhì)結(jié)探測(cè)器原型器件。實(shí)驗(yàn)表明,探測(cè)器整體呈現(xiàn)p摻雜特性,其開(kāi)關(guān)比超過(guò)10~3。在可見(jiàn)光照射下,WSe_2/graphene異質(zhì)結(jié)探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)有效的開(kāi)通和關(guān)斷,并且通過(guò)改變外置偏壓和光照條件,探測(cè)器光電流大小及響應(yīng)度得到有效地調(diào)控,表明該異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器方面有著潛在應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓,探測(cè)器光伏響應(yīng)得到非常有效的調(diào)控。在光照條件下,異質(zhì)結(jié)不同偏置電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線均出現(xiàn)了電流極值點(diǎn)。本文深入分析了柵極電壓和光照條件對(duì)WSe_2/graphene異質(zhì)結(jié)兩側(cè)費(fèi)米能級(jí)的影響,提出了電、光對(duì)其費(fèi)米能級(jí)的雙重調(diào)控機(jī)制,得出石墨烯和WSe_2的費(fèi)米能級(jí)之差在某一柵極電壓范圍內(nèi)出現(xiàn)極大值點(diǎn),很好地解釋了異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移特性曲線電流極值點(diǎn)這一新奇現(xiàn)象,有助于深入理解二維材料異質(zhì)結(jié)光電器件的工作機(jī)制。2)構(gòu)建了WSe_2/MoSe_2p-n異質(zhì)結(jié)探測(cè)器,深入分析了探測(cè)器短路電流在柵極電壓調(diào)控下出現(xiàn)極大值點(diǎn)的物理機(jī)制,采用PbS量子點(diǎn)增強(qiáng)探測(cè)器在近紅外波段的響應(yīng)。為進(jìn)一步提高二維材料異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的光吸收和光伏響應(yīng),采用機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將p摻雜的WSe_2和n摻雜的MoSe_2構(gòu)建成p-n異質(zhì)結(jié)光伏型探測(cè)器。異質(zhì)結(jié)區(qū)域的PL強(qiáng)度有著非常明顯的淬滅現(xiàn)象,表明異質(zhì)結(jié)界面存在有效的電荷轉(zhuǎn)移,從而促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的分離與輸運(yùn)。探測(cè)器具有典型的整流和光伏效應(yīng),表明WSe_2/MoSe_2異質(zhì)結(jié)具有較高的界面質(zhì)量和勢(shì)壘高度。同時(shí),WSe_2與MoSe_2構(gòu)成type-II類型(交錯(cuò)型)的能帶結(jié)構(gòu),減小了異質(zhì)結(jié)有效帶隙,有助于拓寬探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)。同時(shí),柵極電壓對(duì)WSe_2/MoSe_2異質(zhì)結(jié)的電學(xué)和光電性能有著明顯的調(diào)控作用,并結(jié)合電、光兩方面分析了短路電流在柵極電壓調(diào)控下出現(xiàn)極大值點(diǎn)的物理機(jī)制。進(jìn)一步,通過(guò)在異質(zhì)結(jié)表面旋涂PbS量子點(diǎn),使得探測(cè)器的響應(yīng)度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。3)利用拓?fù)渚w絕緣體具有較小體能隙的特點(diǎn)和分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)材料生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì),提出了采用超高真空MBE方法制備高質(zhì)量、大尺寸拓?fù)渚w絕緣體SnTe薄膜,并結(jié)合微納加工工藝制備了SnTe光導(dǎo)型探測(cè)器,探測(cè)器在室溫條件下具有可達(dá)3.8μm的中紅外響應(yīng)和較高的響應(yīng)度。通過(guò)MBE生長(zhǎng)出了具有超高晶格質(zhì)量和可達(dá)厘米級(jí)的大尺寸SnTe薄膜,并實(shí)現(xiàn)了薄膜厚度原子層可控。通過(guò)微納加工工藝制備了SnTe光導(dǎo)型探測(cè)器,探測(cè)器在室溫條件下即具有從可見(jiàn)光到中紅外(405 nm-3.8μm)的超寬波段響應(yīng)和較快的響應(yīng)速度(0.31 s),并在2003 nm入射波長(zhǎng)下具有3.75 AW~(-1)的高響應(yīng)度。更重要的是,通過(guò)MBE方法制備的高質(zhì)量單晶薄膜尺寸可達(dá)厘米級(jí),對(duì)于實(shí)現(xiàn)常溫紅外探測(cè)器的大面積陣列集成具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。4)為進(jìn)一步提高基于拓?fù)?晶體)絕緣體探測(cè)器的響應(yīng)速度,提出采用MBE方法制備高質(zhì)量、大尺寸的拓?fù)浣^緣體Sb_2Te_3/STO p-n異質(zhì)結(jié)光伏型探測(cè)器,探測(cè)器在室溫下具有可達(dá)1500 nm的近紅外響應(yīng)和超快的響應(yīng)速度(30μs),同時(shí)具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗中子輻照特性。通過(guò)超高真空MBE技術(shù)在n摻雜的鈦酸鍶(SrTiO_3,STO)襯底上直接外延生長(zhǎng)p摻雜的拓?fù)浣^緣體Sb_2Te_3薄膜。Sb_2Te_3薄膜具有超高的晶格質(zhì)量和厘米級(jí)的大尺寸,并可實(shí)現(xiàn)薄膜厚度原子層可控。Sb_2Te_3/STO異質(zhì)結(jié)探測(cè)器具有明顯的整流和光伏效應(yīng),表明Sb_2Te_3與STO確實(shí)形成了p-n異質(zhì)結(jié),并具有較大的勢(shì)壘高度。異質(zhì)結(jié)較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)極大地促進(jìn)了光生電子-空穴對(duì)的分離和輸運(yùn),并結(jié)合異質(zhì)結(jié)在垂直方向上納米尺度的載流子輸運(yùn)距離,探測(cè)器展現(xiàn)出了超快的響應(yīng)速度(30μs)。得益于Sb_2Te_3較小的體能隙,探測(cè)器在室溫下即具有可達(dá)1550nm的近紅外響應(yīng)。同時(shí),對(duì)Sb_2Te_3/STO異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的可靠性進(jìn)行了深入研究。當(dāng)溫度在100 K-500 K范圍內(nèi),探測(cè)器仍具有較為明顯的光伏響應(yīng),探測(cè)器在劑量為10~(14) MeV/cm~2的中子輻照后光電響應(yīng)性能沒(méi)有明顯退化,表明Sb_2Te_3/STO異質(zhì)結(jié)探測(cè)器具有良好的溫度穩(wěn)定性和抗中子輻照特性。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN15;TB383.1

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