【摘要】：碳、硅、鍺是三種典型的IV族元素,具有相似的電子結(jié)構(gòu),且擁有多種同素異形體。近年來,一系列IV族元素低維材料的成功制備極大地拓展了材料學(xué)科的研究領(lǐng)域,例如石墨烯的發(fā)現(xiàn)掀起了對二維材料的研究熱潮。隨著維度的降低,低維材料表現(xiàn)出很多新奇的光電特性,進(jìn)而拓展了其在電子學(xué)、光電子學(xué)、能量轉(zhuǎn)化和存儲、熱電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本學(xué)位論文選取了IV族元素中最具代表性的兩類材料開展了系統(tǒng)性研究。首先是聚焦在IV族元素鍺硅平面納米線異質(zhì)外延的生長動力學(xué)研究。然后對IV族元素碳的同素異形體石墨烯的生長途徑和光電特性開展了深入研究,研究內(nèi)容包括了石墨烯無催化直接生長方法探索,和石墨烯及類石墨烯結(jié)構(gòu)拓?fù)浣^緣體材料Bi_2Te_3在太赫茲光電響應(yīng)機(jī)理研究。全文分為以下三個章節(jié):1、分別在[55？]和[1？0]方向圖樣化的硅襯底表面生長鍺硅平面納米線,針對圖樣化硅(1 1 10)表面鍺硅納米線出現(xiàn)的自組織、自延伸、自連接的結(jié)構(gòu),利用有限元分析的方法,結(jié)合實(shí)際觀測的結(jié)果,簡化鍺硅異質(zhì)外延的生長模型,對兩種不同方向圖樣化硅襯底表面可能出現(xiàn)的幾種結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的模型,分析異質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布,計(jì)算并比較不同結(jié)構(gòu)中的總能量密度,從熱力學(xué)平衡的角度得到了解釋,理論結(jié)果給出的預(yù)期和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,納米線自組織、自連接、自延伸的生長過程遵循系統(tǒng)能量密度最低原理。2、提出了利用液態(tài)碳源無催化在介質(zhì)和半導(dǎo)體襯底表面直接制備石墨烯量子點(diǎn)和納米石墨烯的新方法。設(shè)計(jì)優(yōu)化了基于新型芳香烴類分子(C_(14)H_9)SiH[N(C_2H_5)_2]_2的有機(jī)液態(tài)碳源。自主設(shè)計(jì)搭建了一套融入原子層控制功能的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了納米石墨烯在二氧化硅和硅表面的直接生長。在800℃的較低溫度下和Ar/H_2的氛圍中,有機(jī)分子中苯環(huán)與苯環(huán)相互結(jié)合形成周期性正六邊形的石墨烯結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步借助原子層沉積的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對納米石墨烯薄膜厚度的精確控制,實(shí)際可控厚度達(dá)到單個原子層。該方法生長過程簡單、可控,對襯底的依賴性低。已獲得的納米石墨烯薄膜的電阻約為2000ohms/sq,透光率在90%以上,在透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用前景。3、探索研究了石墨烯在太赫茲光電響應(yīng)機(jī)制。利用所建立的頂柵場效應(yīng)晶體管制備工藝,設(shè)計(jì)制備了石墨烯頂柵場效應(yīng)晶體管。利用本實(shí)驗(yàn)室的微波/太赫茲探測平臺,測試了器件的輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線、微波/太赫茲波段的光電響應(yīng)和時間響應(yīng),研究了石墨烯場效應(yīng)管在微波/太赫茲波段的光電響應(yīng)機(jī)制。獲得了器件在太赫茲波段的響應(yīng)度和噪聲等效功率的值,分別為158V/W和67 pW/Hz~(1/2),根據(jù)器件的脈沖響應(yīng)獲得了太赫茲下器件的響應(yīng)速度約為30μs。驗(yàn)證了擴(kuò)散模型的正確性,即在零偏壓下,器件的太赫茲響應(yīng)與石墨烯電導(dǎo)率的關(guān)系符合(35)uμ1/s×ds/dV_G,闡明了石墨烯頂柵場效應(yīng)晶體管光電響應(yīng)的來源,在微波/太赫茲光照射下,溝道內(nèi)石墨烯形成溫度梯度,引起熱載流子擴(kuò)散,形成光電流。同時我們把拓?fù)浣^緣體Bi_2Te_3與石墨烯進(jìn)行了比較,制備了基于Bi_2Te_3材料的兩端器件,利用本實(shí)驗(yàn)室的太赫茲測試平臺,測試了器件的輸出特性曲線和太赫茲波段的光電響應(yīng),得到了器件在0.1THz附近的響應(yīng)度和噪聲等效功率分別為15V/W和0.6nW/Hz~(1/2)。根據(jù)器件的脈沖響應(yīng)獲得了器件在0.1THz輻照下的響應(yīng)速度約為9μs,比相同結(jié)構(gòu)利用化學(xué)氣相沉積制備的石墨烯探測器件快一個數(shù)量級,凸顯了拓?fù)浔砻鎽B(tài)在光電響應(yīng)中起著重要作用,在外加電場作用下,拓?fù)浔砻鎽B(tài)的高遷移率能夠有效提高器件響應(yīng)速度。本學(xué)位論文探討了幾種典型IV族元素低維材料的生長方法與機(jī)制,及其在光電探測領(lǐng)域的響應(yīng)機(jī)制。研究成果展示了IV族元素低維材料在基礎(chǔ)物性和光電應(yīng)用領(lǐng)域的潛在價(jià)值,對該材料體系在光電探測領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究具有一定的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

第 1 章 引言子呈現(xiàn)線性的色散關(guān)系，費(fèi)米面附近石墨烯中的準(zhǔn)粒子是無質(zhì)量的 Dirac 費(fèi)米子。石墨烯由于其特殊的二維結(jié)構(gòu)擁有許多優(yōu)良的力學(xué)和光電學(xué)特性，例如：石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度很高，同時還是柔性的，它的楊氏模量理論上有 1.0TPa；石墨烯的透光率很好，單層石墨烯在可見到紅外的范圍內(nèi)的吸收率約為 2.3%；石墨烯擁有很好的導(dǎo)電性能，理論上，室溫下石墨烯的電子遷移率可以達(dá)到20,000 cm2/V s[21]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)體半導(dǎo)體的性質(zhì)；除此以外，石墨烯在室溫下就可以觀察到量子霍爾效應(yīng)[22]，4K 以下還會出現(xiàn)反常量子霍爾效應(yīng)[23,24]等等。由于石墨烯這些特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在柔性材料，透明電極，光電子器件，超級電容器等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，，也掀起了科學(xué)家們對二維材料的研究熱潮。

IV 族元素低維材料生長動力學(xué)與場效應(yīng)管太赫茲探測研究墨，在 300nm SiO2/Si 襯底表面觀察到了單層和多層測試了石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，并通過轉(zhuǎn)移特性曲線測，觀察到室溫下石墨烯的載流子遷移率高達(dá)~15,00，遷移率更是高達(dá)~60,000 cm2/V s[20]。憑借這項(xiàng)工得了 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊昕昕;孫建東;秦華;呂利;蘇麗娜;閆博;李欣幸;張志鵬;方靖岳;;Room-temperature terahertz detection based on CVD graphene transistor[J];Chinese Physics B;2015年04期

本文編號：2588498