【摘要】：隨著人們對石墨烯不斷深入的理論與實(shí)驗(yàn)的研究,發(fā)現(xiàn)石墨烯優(yōu)異的性能,并且證明能夠在室溫穩(wěn)定存在,因此,讓石墨烯成為了近十年來納米材料研究的焦點(diǎn)之一,并且掀起了研究石墨烯材料和相關(guān)領(lǐng)域的熱潮。石墨烯納米墻是縱向生長的石墨烯交疊形成的三維材料,保持了石墨烯的零帶隙和層狀結(jié)構(gòu)特征,不僅保持了石墨烯從可見光到太赫茲寬波段吸收的特性,還解決了石墨烯吸收弱的問題,石墨烯納米墻大面積、低成本的制備,使其在非制冷、高響應(yīng)度、寬光譜光電探測器中具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文通過在硅上原位生長可控的石墨烯納米墻,制備出高性能的石墨烯納米墻/硅異質(zhì)結(jié)光電探測器,首先研究了石墨烯納米墻的光電性能和石墨烯納米墻/硅異質(zhì)結(jié)在可見光的光響應(yīng),再利用表面電荷轉(zhuǎn)移摻雜技術(shù)調(diào)控碳納米墻的功函數(shù),研究石墨烯納米墻/硅異質(zhì)結(jié)的熱載流子發(fā)射機(jī)理及其紅外光電響應(yīng)特性。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論包括:(1)石墨烯納米墻薄膜的制備與表征。利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備了不同生長時間的石墨烯納米墻薄膜,采用掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、透射電鏡、高分辨率-透射電鏡對石墨烯納米墻薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征與簡單的分析。采用四探針法和紫外可見分光光度計研究了石墨烯納米墻薄膜的方阻和透過率與生長時間的關(guān)系,并用拉曼進(jìn)一步驗(yàn)證。(2)研究石墨烯納米墻/硅異質(zhì)結(jié)光電探測器的光電特性。利用在硅上原位生長石墨烯納米墻制備出高質(zhì)量界面的異質(zhì)結(jié)光電探測器,測試了在可見光波段的光電響應(yīng),得到了0.52 A/W的響應(yīng)度,開/關(guān)比高達(dá)2×10~7,時間響應(yīng)為40μs。器件還具有105dB的高線性型動態(tài)范圍以及3dB截止頻率為8.5KHz。用FFT測試系統(tǒng)測試器件,實(shí)現(xiàn)了3.1fA Hz~(-1/2)的超低噪聲電流譜和5.88×10~(13) cm Hz~(1/2)/W的比探測率,這也是目前為止通過測試暗電流噪聲得到最大的比探測率。通過肖特基結(jié)模型擬合得到1.18的理想因子和0.69eV的勢壘高度,從理論上分析了暗電流低的原因。(3)研究石墨烯納米墻/硅肖特基結(jié)的熱載流子發(fā)射機(jī)理及其紅外光電響應(yīng)特性。通過用熱退火硅上金膜的方式制備無規(guī)則的金納米顆粒,利用表面電荷轉(zhuǎn)移摻雜技術(shù)來調(diào)控碳納米墻的功函數(shù)。通過對不同結(jié)構(gòu),不同金屬顆粒和不同GNW生長時間的GNW/Si光電探測器光響應(yīng)的分析,得到了20minGNW/2nmAu/Si異質(zhì)結(jié)光電探測器在1550nm的光響應(yīng)最大,器件的響應(yīng)度可以達(dá)到138mA/W。隨后對Au納米顆粒進(jìn)行了建模分析,得到2nm金膜退火后的共振峰出現(xiàn)在1500nm左右區(qū)域,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。引入金納米顆粒,降低了勢壘高度,增強(qiáng)了熱載流子的發(fā)射效率,器件的比探測率提高到了1.4×10~(10)cm Hz~(1/2)/W,開/關(guān)比高達(dá)10~4,時間響應(yīng)為370μs。器件在3.5μm波段0V的響應(yīng)度為0.44μA/W,研究石墨烯納米墻的熱載流子發(fā)射機(jī)制和高性能光電探測器件的實(shí)現(xiàn)方法,為紅外高效光電轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展提供新思路。
【圖文】：

圖 1.1 (a)石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)(b)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)圖[14]烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性能，如圖 1.1（a）所示，每單位子。其晶格矢量可以寫成： 1= 2(3, 3) 2= 2（3, 3）1.42 為碳原子與碳原子的間距，單層石墨烯的厚度約為 3.4 矢為： 1=2 3 (1, 3) 2=2 3 (1, 3)層四個價電子分別位于 2s，2px，2py，2pz 軌道，，sp2軌道雜的一個電子與處于 2p 軌道的兩個電子雜交，一個碳原子的三個于同一平面上臨近三個碳原子的 sp2 雜化鍵相連，形成 σ 鍵，子，與鄰近碳原子的 2pz 軌道碳原子相互作用，形成活躍的 ），這兩個鍵分別形成了石墨烯的價帶與導(dǎo)帶[16]，如圖 1.1(b)

在50μm 孔徑上，覆蓋了單層和雙層石墨烯，并且光強(qiáng)度掃描曲線沿黃線疊加。圖1.2(b)為單層石墨烯的透射光譜，紅線、綠線分別為狄拉克費(fèi)米子的理論計算曲線和考慮了石墨烯的非線性的曲線，灰色區(qū)域是測試的標(biāo)準(zhǔn)偏差，插圖說明了每增加一層石墨烯，透光率下降 2.3%。此外，有研究表明石墨烯的彈性模量高達(dá) 1.1Tpa，抗拉強(qiáng)度為 125GPa[21]。石墨烯的室溫?zé)釋?dǎo)率約為 5×103Wm 1K 1[22]，是銅的 10 倍多，比碳納米管和金剛石的熱導(dǎo)率都高。由于石墨烯這些出色的性能讓它在各個領(lǐng)域都有一席之地。1.1.2 石墨烯的制備方法在過去的十年中，石墨烯和層狀材料呈指數(shù)生成，并且開發(fā)了許多生長方法，這些技術(shù)[23]可以用于科學(xué)研究和可擴(kuò)展應(yīng)用，如圖 1.3 所示。石墨烯的制備主要有物理方法與化學(xué)方法兩類
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O613.71;TN15

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本文編號：2627403