【摘要】：石墨烯獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu),使其從紫外到中紅外很寬的頻帶內(nèi)可以產(chǎn)生光生電子空穴對(duì),且石墨烯內(nèi)部的光學(xué)躍遷可以將光吸收范圍拓寬至遠(yuǎn)紅外,甚至太赫茲波段。憑借其優(yōu)異的光學(xué)特性和電導(dǎo)率,石墨烯在光電探測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于硅材料豐富的存儲(chǔ)量和無毒性,硅基光電探測器成為光電探測器中研究最廣的成員之一。目前,對(duì)硅基光電探測器的研究逐步成熟,制備工藝日趨完善,但是硅基光電探測器存在許多不足,如探測器的制備存在一定的技術(shù)瓶頸,探測器的探測信號(hào)較弱,探測范圍僅300-1100nm等。因而,如何提高硅基光電探測器的性能成為亟待解決的問題�？茖W(xué)家們嘗試使用摻雜來提高材料的性能,其中化學(xué)摻雜是最受歡迎的摻雜方法之一,但是化學(xué)摻雜不穩(wěn)定,并且在摻雜過程中可能會(huì)對(duì)石墨烯造成破壞。另一方面,作為最重要的半導(dǎo)體材料的另一種類型,納米尺寸的硅即硅量子點(diǎn)(Si-QDs)近年來獲得了越來越多的關(guān)注。量子限域效應(yīng)表明當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑小于玻爾半徑時(shí),會(huì)具有異于體硅材料的能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性,這些特性使得硅量子點(diǎn)成為極其重要的熒光材料之一。而硼摻雜硅量子點(diǎn)在中紅外波段有較強(qiáng)的吸收峰,這些特性使得量子點(diǎn)在光電探測方面有應(yīng)用潛能。本文通過兩種器件類型研究Si-QDs與石墨烯之間的相互作用,提高光電探測器的光電性能。主要研究成果如下:(一)研究了 Gr/Si肖特基結(jié)光電探測器的工作原理,石墨烯/硅在接觸界面形成肖特基結(jié),入射光照射后,在內(nèi)建電場作用下光生電子空穴對(duì)分離,空穴向石墨烯轉(zhuǎn)移,電子被硅收集,形成光生電流。通過公式擬合,計(jì)算出Gr/Si肖特基結(jié)的相關(guān)參數(shù)。并在此工藝基礎(chǔ)上,用量子點(diǎn)對(duì)Gr/Si探測器進(jìn)行性能優(yōu)化,制備出Si-QDs/Gr/Si光電探測器,器件的性能優(yōu)異。當(dāng)入射光波長405 nm,功率密度為0.1mW/cm2,測得的光電流約為91nA,響應(yīng)度約為0.36A/W。同時(shí)本文也對(duì)器件的響應(yīng)速度進(jìn)行測試,其中零偏壓下時(shí)間響應(yīng)為25ns。(二)在Si-QDs/Gr/Si探測器制備工藝的基礎(chǔ)上,本文簡化了工藝流程,將石墨烯轉(zhuǎn)移到帶有氧化硅襯底上并圖形化,旋涂量子點(diǎn),獲得摻硼硅量子點(diǎn)/石墨烯超高增益寬頻譜光電導(dǎo)探測器。其工作原理為:B-SiQDs本身對(duì)石墨烯n型摻雜,光照下P型摻雜,增加光吸收,提高光響應(yīng)。經(jīng)計(jì)算可得,響應(yīng)度為109A/W(入射波長532nm,光功率密度為0.2μW/cm2),增益Gain高達(dá)1012,并且在375-1870 nm全波段內(nèi)響應(yīng)極高。同時(shí)在中紅外波段(2.6-3.6μm)也有響應(yīng),主要由于B-SiQDs在這一波段有很強(qiáng)的局部表面等離子激元效應(yīng)(LSPR)。這極大的拓寬了硅基光電探測器的探測范圍,實(shí)現(xiàn)了硅基在中紅外波段的探測。
【圖文】：

邐緒論逡逑格狀二維材料，只有一個(gè)原子的厚度，約為０．３３５邋ｎｍ⑴，如圖１．１所示。自２００４年Ｇｒ被逡逑成功的制備出來后，石墨烯獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能已引起了科學(xué)界的廣泛研究［＞１Ｇ］。逡逑單層Ｇｒ是由共價(jià)鍵構(gòu)成的，每個(gè)碳原子都以化學(xué)鍵ａ鍵的形式同時(shí)與相鄰的三個(gè)碳原子逡逑相連，相鄰兩個(gè)ａ鍵的鍵長約為０．１４２邋ｎｍ，鍵角１２０°。而碳原子中剩下的未被雜化的電子，逡逑與周圍的；？軌道電子交疊形成巨大ｔｔ鍵，并且大；ｒ鍵中的電子在平面內(nèi)是可以任意移動(dòng)的。逡逑同時(shí)單層Ｇｉ？也是構(gòu)成不同維度碳材料的基本單元，例如可以通過卷曲組成富勒烯、碳納逡逑米管也可以通過多層堆疊成石墨，如圖１．２所示。逡逑＾邐＇ｔ邐Ｍ邐％邋．邐／逡逑ｒ邐＼邐ｆ邐＼邐／邐＼逡逑Ｑ邐０邐Ｑ邐0邐0邐Ｑ逡逑＼邐Ｊ邐％邐＞邐ｔ邐／逡逑ｆ邐§邐％邐ｇ邐＼逡逑0邐Ｄ邐0邐0邐0邐0逡逑％．邐＃邐％．邐Ｍ邐％邐．＃逡逑Ｑ邐0邐Ｑ邐Ｏ邐0邋0逡逑－ｏ邐Ｄ邐Ｏ邐Ｏ邐？0邐0逡逑＇邐ｒ＊邐．５：邐：．邐．逡逑0邋－邐０邐０邐Ｑ邐Ｄ－邋０逡逑，ｆ邐％＇邐４｝邐＼邐＾邐％逡逑ｏ邐００邐００邐ａ逡逑＾邐ｗ邐％邐Ｐ邐％邐＃逡逑Ｄ－邐0邐Ｄ…0邐０—０逡逑圖１．１單層石墨烯的微結(jié)構(gòu)［８］。逡逑２逡逑

１．１．２．１石墨烯的電學(xué)特性逡逑Ｇｒ奇特的零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，即價(jià)帶和導(dǎo)帶以費(fèi)米能級(jí)為中心對(duì)稱的，且都是雒形逡逑的，其中導(dǎo)帶和價(jià)帶的交點(diǎn)為狄拉克點(diǎn)，如圖１．３所示ｆ１２］。由于這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)使得逡逑Ｇｒ擁有非比尋常的電學(xué)性能。由于Ｇｒ是零帶隙的二維材料其內(nèi)的載流子徖移率可以逡逑通過外力被調(diào)節(jié)，載流子濃度高達(dá)ｌ0１３ｃｍ－２。２００４年，Ｋ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人在室溫下測得逡逑Ｇｒ中的載流子遷移率約為１．５ｘｌ0４ｃｍ２／Ｖｊ。后續(xù)的研究將遷移率提高至２ｘｌ0５ｃｎｒＶＶ＿ｓ［ｌ４］，逡逑隨后Ｋ．Ｉ．Ｂｏｌｏｔｉｎ等人將這一數(shù)值進(jìn)一步提高到２．５ｘｌ0５ｃｍ２／Ｖ＇ｓ［１５］，如此高的載流子遷移率逡逑也就意味著Ｇｒ?qū)⒃诟咚傩酒蛡鞲衅鞯葢?yīng)用方面將引起一場革命。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN36

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 倪朕伊;硅量子點(diǎn)的硼和磷摻雜[D];浙江大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：2536446