【摘要】：石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的半金屬,也是最具代表性的二維材料。在2004年石墨烯被制備以前,人類可以制備和利用三維、一維以及零維材料來構(gòu)建各種功能的器件。然而二維材料的制備卻遲遲未能取得突破,這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為石墨烯由于其晶格的不穩(wěn)定性,在常溫常壓下無法穩(wěn)定存在,故鮮有課題組有針對(duì)性地進(jìn)行制備。石墨烯的發(fā)現(xiàn),恰似是拼圖的最后一片,打開了在全新維度框架下對(duì)物理、器件進(jìn)行研究的大門。石墨烯的出現(xiàn)表明人們有可能在單原子層或多原子層的水平上構(gòu)建器件,而這也代表了未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向。因此石墨烯一經(jīng)面世,便在全世界范圍內(nèi)掀起了研究浪潮,進(jìn)一步研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多新型二維材料,特別是二維半導(dǎo)體如硅烯和過渡金屬硫?qū)倩?具有與塊體半導(dǎo)體截然不同的性質(zhì)。自石墨烯的發(fā)現(xiàn)者Andre Geim和Konstantin Novoselov摘得諾貝爾獎(jiǎng)至今已九年,石墨烯被發(fā)現(xiàn)至今也已過了十五年,期間二維材料在物理方面的研究層出不窮,然而人們亟需探索其在實(shí)際生產(chǎn)生活中的可能應(yīng)用。目前為止,國際上公認(rèn)石墨烯與二維半導(dǎo)體在光電器件領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以石墨烯為例,其透明度高、導(dǎo)電性好、載流子遷移率高,在電子器件或是光電器件方面有廣闊應(yīng)用前景。然而石墨烯及二維導(dǎo)半體在應(yīng)用于光電器件時(shí),存在諸如吸光率過低、器件無法關(guān)斷等問題,而光電器件各領(lǐng)域在發(fā)展中又迫切需要對(duì)現(xiàn)有器件的性能進(jìn)行提高。如何解決這些問題?石墨烯及二維導(dǎo)半體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)是一種行之有效的解決方法。同時(shí)石墨烯及二維半導(dǎo)體又可以直接與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體復(fù)合,形成結(jié)區(qū)位于表面的異質(zhì)結(jié),從而極大拓展器件的應(yīng)用范圍。不同二維半導(dǎo)體之間也性質(zhì)各異,可利用多種二維半導(dǎo)體構(gòu)建光電器件,在不同二維半導(dǎo)體間取長補(bǔ)短,提高器件的性能。石墨烯及二維半導(dǎo)體與三維半導(dǎo)體之間形成的二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的物理內(nèi)涵和應(yīng)用價(jià)值。以石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)為例,從載流子動(dòng)力學(xué)角度上看,石墨烯本身也具有超寬帶光吸收及多激子效應(yīng),可參與到載流子產(chǎn)生的過程中,同時(shí)異質(zhì)結(jié)中光生載流子可在飛秒量級(jí)內(nèi)在石墨烯與砷化鎵之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移,可提高載流子的收集效率。從載流子空間分布角度上看,其耗盡層與光吸收層在空間上相重疊,減少了載流子在漂移及擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中的損失,表助于載流子的可以高效產(chǎn)生及分離。這些特性二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)光電器件性能限制打下了物理基礎(chǔ)。二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)其性能優(yōu)化方法及效果也與傳統(tǒng)PN結(jié)構(gòu)大相徑庭。以局域表面等離子體共振增強(qiáng)方法為例,由于表面等離子體共振產(chǎn)生的熱點(diǎn)能量是近場(chǎng)分布,隨距離增加迅速衰減,而傳統(tǒng)PN結(jié)區(qū)位于器件表面以下數(shù)百納米甚至數(shù)微米深度,表面等離子體共振難以對(duì)其增強(qiáng)。而二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)位于表面,其表面等離子體共振產(chǎn)生的增強(qiáng)電磁場(chǎng)與耗盡層及光吸收層在空間上相重疊,因此可大幅提高器件的性能。同時(shí),可對(duì)二維/三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的石墨烯及二維半導(dǎo)體進(jìn)行諸如表面能帶調(diào)節(jié)、化學(xué)摻雜及減反射層等增強(qiáng)手段。本論文圍繞石墨烯及二維半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電器件領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用,綜合研究了幾種基于石墨烯及二維半導(dǎo)體的不同類型的光電器件,涉及石墨烯、二維六方氮化硼、二維二硫化鉬,并介紹了通過界面能帶調(diào)節(jié)、表面摻雜、局域表面等離子體共振增強(qiáng)等手段來提高器件性能的方法,探究了性能提升背后的物理機(jī)制,進(jìn)一步提示了石墨烯及二維半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理內(nèi)涵,具體內(nèi)容有以下幾部分:1)提出了石墨烯/六方氮化硼/氧化鋅異質(zhì)光電探測(cè)器,并研究六方氮化硼在異質(zhì)結(jié)中起到的勢(shì)壘提升作用。研究表明由于六方氮化硼的負(fù)電子親和勢(shì)和寬禁帶寬度,可以提升石墨烯/氧化鋅器件的電子勢(shì)壘,提升器件在365nm紫外光響應(yīng)度到1350 AW-1,同時(shí)將器件的開關(guān)比提升到103。2)利用濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)得到石墨烯/氮化鎵發(fā)光二極管,正反向均可發(fā)光且波長不同,在界面處引入銀納米顆�？商嵘浒l(fā)光強(qiáng)度。通過對(duì)光譜進(jìn)行擬合,我們認(rèn)為銀納米顆粒的局域表面等離子體,可與氮化鎵層中的激子復(fù)合發(fā)生能量耦合,提高輻射復(fù)合在載流子復(fù)合過程中的比例,從而提升二極管的發(fā)光強(qiáng)度。3)研究了金納米顆粒增強(qiáng)的石墨烯/砷化鎵太陽能電池,并獲得了 16.2%的轉(zhuǎn)換效率。通過在石墨烯/砷化鎵太陽能電池表面旋涂一層化學(xué)合成的金納米顆粒,可利用納米顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)將入射光局域在石墨烯/砷化鎵的表面耗盡層,從而加快光生載流子的分離,將太陽能電池的短路電流密度從19.1 mAcm-2提升至24.9 mA cm-2,結(jié)合摻雜和減反射手段,可將太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提升至16.2%。同時(shí)研究了金納米顆粒的直徑、分布密度對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響。4)研究了金屬納米間隙結(jié)構(gòu)對(duì)于二硫化鉬的光致發(fā)光增強(qiáng)及光電探測(cè)增強(qiáng)。在合適的電磁激發(fā)下,金屬納米間隙中會(huì)產(chǎn)間隙模式等離激元,并伴有電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。此時(shí)將單層二硫化鉬插入金屬納米間隙中,可得到110倍的光致發(fā)光增強(qiáng)。利用相同原理制備的光電探測(cè)器可獲得882%的響應(yīng)度提升,達(dá)到287.5 AW-1。
【圖文】：

二維材料進(jìn)行復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究表明二維材料可與零維、一維、三維材料直接逡逑接觸便可形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，二維材料相互之間相互轉(zhuǎn)移也可形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而可以取逡逑長補(bǔ)短，并形成豐富的器件種類，如圖１．２所示。值得指出的是，二維材料在進(jìn)行復(fù)合逡逑后，也會(huì)展現(xiàn)出全新的物理現(xiàn)象，如光摻雜［１１，１２】、面間激子［１３，１４］、庫侖牽引［１５］等。下逡逑面分別介紹石墨烯、二維二硫化鉬、二維氮化硼的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。逡逑間＿邋巧邐（ｂ）；Ｄ＂－３邋Ｍ邋Ｍ邋（ｃ＞２＿－逡逑＿＿＿逡逑圖１．２：二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)［２］逡逑１．２．１石墨烯的基本結(jié)構(gòu)、性質(zhì)逡逑由于絕大部分對(duì)石墨烯的研究都是基于單層石墨烯，因此除非特別說明，下文提逡逑到的石墨烯都特指是單層石墨烯。從結(jié)構(gòu)上看，石墨烯是由碳原子按正六邊形分布而逡逑３逡逑

其通過幾何變換可形成零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維逡逑的石墨（圖１．３）［１６：？。石墨烯的碳原子之間通過ＳＰ２雜化形成共價(jià)0鍵，鍵長為１．４２義１７］。逡逑石墨烯中的碳原子經(jīng)過ＳＰ２雜化后形成的雜化軌道被完全填充，而垂直的Ｐ軌道只被填逡逑充一半，因此兩個(gè)碳原子之間的Ｐ軌道會(huì)發(fā)生重疊從而形成７１鍵［１８］。逡逑．：．＇■邋？，人ｆ－．邋？邋；．邋．邋？．邋－．邋■■■？：邋■邋，邋ｘ邐：？？邋＾邋．邋？逡逑－邋．．．；－？邋：邋NB 十邋Ｊ邋＇邋．邋？邋．邋？邋．邋＇邋．邋．ｉ邋－？邐ｉ邐－邋？．逡逑．邋？邋－邋■邋／邋■■邋－邋．．邐＾邐．邋，邋．邋－邋．邋？邋－邋．邋－邋．邋－邋，邋－邋，邋■邋－邋＇邋■邋■邋？．邋＇逡逑？邐，邋？邋，邋■邋＾邋－邋；逡逑■邐，邐．．廣．廣、廣ｖ產(chǎn)－－逡逑ＣＣｘＸ＾邋■邐■邋？邋■邋．邋－：邋＾邐－．邋＇邋？邋：邋ＣＯＣＯ＇．．＇
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN36

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本文編號(hào)：2693577