【摘要】：隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn),具有原子層厚度的二維材料因其豐富物理性質(zhì)和廣闊應用前景引起了廣泛的研究興趣。石墨烯具有遷移率高、熱導率高、強度大、電導率高和光吸收率低等一系列特點,可應用于透明導電薄膜、超級電容器電極材料等重要方面。由于石墨烯帶隙為零,難以形成開關(guān)狀態(tài),限制了其在電子電路器件中的應用。過渡金屬硫族化合物類二維材料,多數(shù)屬半導體,具有較高載流子遷移率及高的電學開關(guān)比,是電子器件候選材料。同時由于其帶隙覆蓋了從紫外到紅外光光譜波段,具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率,是良好的光電器件材料。新興的二維半導體黑磷,是具有了類似于石墨烯的高載流子遷移率特性又具備帶隙變化可調(diào)的特征,因此應用前景廣闊,備受關(guān)注。研究二維材料,一方面是弄清楚二維材料基本性質(zhì),當材料厚度減小至原子尺度,量子限域效應使其在力、熱、聲、光、電學等方面都呈現(xiàn)出豐富的奇異性質(zhì)。另一方面,基于二維材料的奇異特性,開發(fā)新型電子器件,比如開發(fā)柔性電子器件,以及小尺寸器件等。本文從二維材料的基本性質(zhì)出發(fā),研究了二維材料層數(shù)的光譜判定方法,以及二維材料MoTe_2的Raman光譜性質(zhì),并估算了其熱導率。然后進一步研究了過渡金屬硫族化合物和黑磷為基的光電探測器,實現(xiàn)了從可見到紅外的光電探測,探討了二維材料光電探測機理,并利用鐵電材料作為晶體管柵極,提升了二維材料光電探測器的性能。此外,基于同類結(jié)構(gòu)研究了鐵電材料調(diào)控的二維材料存儲器,以及界面改善工程。第二章系統(tǒng)研究了少層MoTe_2材料Raman光譜性質(zhì):包括Raman光譜與層數(shù)之間的關(guān)系,與激發(fā)光功率之間的關(guān)系,以及與溫度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了熱效應對MoTe_2 Raman峰的影響。在不考慮SiO_2襯底接觸對熱傳導的影響下,通過對比Raman峰位移動的溫度系數(shù)以及與激光功率變化系數(shù),粗略估算了MoTe_2的熱導率。單層MoTe_2熱導率為462 Wm~(-1)K~(-1),4層MoTe_2的熱導率為43Wm~(-1)K~(-1)。隨著材料層數(shù)增加,熱導率降低。熱導率的研究為MoTe_2相關(guān)光電子器件的研發(fā)提供了重要的熱學參數(shù)。第三章研究了多種二維材料的光電探測器器件。首先,利用叉指電極的結(jié)構(gòu)設計,解決了GaSe材料的遷移率低,溝道電流小難以讀出的問題。這個方法使GaSe背柵光電晶體管實現(xiàn)了對450 nm以及520 nm可見光高靈敏度的光電響應,響應率高達2200 mA/W,超過了多種二維材料光電探測器。接著研究了MoTe_2為基的背柵光電探測器,實現(xiàn)了從可見光600 nm到短波紅外1550nm的光電探測。對637 nm可見光,器件的響應率可達50 mA/W,探測率可以達到3.1×10~9 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)。對于1060 nm近紅外光,響應率可達24 mA/W,探測率為1.3×10~9 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)。器件響應速度快,光電流上升和下降時間為1.6 ms和1.3 ms。通過改變?nèi)肷涔夤β蕼y試器件光電響應,發(fā)現(xiàn)了隨著光功率增加不僅光電流增加,器件的閾值電壓也隨之變化,這被認為是由于光生載流子被材料內(nèi)缺陷態(tài)俘獲形成的photogating效應。Photogating效應有效增強了器件的光響應,是二維材料光電探測器的重要探測機理。最后還研究了二維窄帶隙黑磷材料的光電探測器。由于黑磷的帶隙窄,以黑磷為基的光電晶體管實現(xiàn)了紅外光1.5mm和2.0mm的光電探測。這為實現(xiàn)室溫紅外光電探測提供了可能。為了提高光電器件性能,本文研究了利用鐵電材料作為柵極介質(zhì)調(diào)控二維材料MoTe_2光電晶體管的方法,利用鐵電材料的剩余極化可以有效耗盡溝道載流子,降低器件暗電流,從而提高器件的光電探測率。同時器件工作在零柵壓下,有利于降低器件的功耗,提高器件穩(wěn)定性。在鐵電材料調(diào)控的二維半導體材料光電器件基礎上,本文還研究了二維材料鐵電存儲器。以鈣鈦礦型鐵電材料PZT為柵介質(zhì)的二維材料黑磷(bP)鐵電晶體管,在鐵電極化以及界面態(tài)的共同作用下,實現(xiàn)了柵壓控制的非揮發(fā)性多阻態(tài)存儲器。通過在二維材料bP與鐵電材料之間插入BN緩沖層,有效改善了界面性質(zhì),消除了器件的非鐵電性回滯。同樣在有機鐵電材料P(VDF-TrFE)調(diào)控下的二維材料bP器件中,通過BN緩沖層的插入,實現(xiàn)了有機鐵電材料控制的非揮發(fā)性鐵電存儲器。本文對二維半導體材料及其光電器件進行了一系列研究,除此之外還進行了一些關(guān)于銅氧化物超導特性的研究,該部分內(nèi)容作為附錄放在本文最后。
【圖文】：

第 1 章 引言9圖1.1是一些二維材料光電探測器的響應率和響應時間圖[97]。從圖中我們可以看到 GaTe 具有著非常高的響應率，響應時間在十幾毫秒量級。而石墨烯、黑磷也具有著較高的響應率， 特別是響應時間可以達到微秒以下，，可以和硅、InGaAs 等傳統(tǒng)材料比擬。不僅如此黑磷具有著非常窄的帶隙，可以實現(xiàn)中紅外光探測，一旦器件性能得到優(yōu)化提高，將具有極大的市場前景。如果單從響應率來看，有一半以上的二維材料響應率都與硅相近或者超出硅很多，如 MoS2, WSe2, InSe, In2Se3, GaTe, TiS3等材料的響應率都超出硅材料 3-4 個量級。這么高的響應率表明二維材料非常有希望應用于光電探測器中

試結(jié)果如圖 2.2 所示，可以發(fā)現(xiàn) PL光譜強度變化明區(qū)域 1，其 PL 強度要遠大于其他部分材料，其他圖所示。由于單層 WS2材料是直接帶隙，多層 WS明顯減弱，因此我們可以確定樣品區(qū)域 1為單層 W eV, 對應單層 WS2的直接帶隙寬度�？梢钥闯� PL譜隨著材料厚度增大，WS2材料帶隙變窄。從光學顯樣品顏色由最接近于襯底顏色的紫色漸漸變?yōu)樗{色械剝離法獲得的少層 WS2材料光學顯微鏡照片，比例尺代cal image of few layer WS2by mechanical exfoliation, the sc10 m.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN304;TN36

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本文編號：2660897