【摘要】：繼石墨烯之后,人們相繼發(fā)現(xiàn)了幾大類具有獨(dú)特性能的二維材料,其中典型的代表包括二維過渡金屬硫族化合物(Transition Metal Chalcogenides,TMCs),黑磷(Black phosphorus,BP)和拓?fù)浣^緣體(Topological Insulator,TI)等。相對于零帶隙的石墨烯(Graphene),這些窄帶隙的二維材料在光電子器件應(yīng)用中具有更加明顯的優(yōu)勢。這類材料具有與石墨類似的結(jié)構(gòu),體相都是由單原子層以范德瓦爾斯力結(jié)合堆垛形成,因此可以通過剝離或者化學(xué)氣相沉積的方法得到單層或數(shù)層的結(jié)構(gòu)。同時,在電學(xué)性質(zhì)方面,它們的禁帶寬度都普遍較小,能夠吸收可見到近紅外波段的光,從而實(shí)現(xiàn)多種功能化應(yīng)用;而利用范德瓦爾斯力對兩種或多種材料進(jìn)行堆疊并形成異質(zhì)結(jié),則可以充分拓展二維材料在光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用。基于此,本論文對硫化鉑(PtS_2),硒化鉑(PtSe_2),黑磷(BP),碲化鉍(Bi_2Te_3)以及石墨烯-碲化鉍(Graphene-Bi_2Te_3)異質(zhì)結(jié)等新型二維窄帶隙材料的制備過程以及光電學(xué)方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究,獲得了如下結(jié)果:1.分別利用溶液法和化學(xué)氣相沉積法制備了碲化鉍和石墨烯-碲化鉍(Graphene-Bi_2Te_3)異質(zhì)結(jié)材料并對其光電學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過散射式近場光學(xué)顯微鏡(s-SNOM),觀察到了碲化鉍樣品的表面金屬電子態(tài)的等離激元,并研究了入射波長、碲化鉍晶體的厚度和形貌的對其等離激元的特性影響;制備了一種基于石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)的具有強(qiáng)吸收和局域光場耦合效應(yīng)的等離子體增強(qiáng)器件,獲得了高出純石墨烯三倍的場增強(qiáng)信號,并證明可通過改變光柵周期性來調(diào)節(jié)石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)的共振峰;通過使用開孔Z掃描技術(shù)對碲化鉍納米片和不同覆蓋率的石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)的非線性光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測量后,發(fā)現(xiàn)碲化鉍納米片表現(xiàn)出超寬帶可飽和吸收特性,石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)構(gòu)比純石墨烯具有更大的調(diào)制深度,且通過控制碲化鉍納米片的覆蓋范圍,調(diào)制深度從14.7%到50.1%可調(diào);利用石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)制備出一種高效的光電探測器和一種基于光纖布拉格光柵的全光探測器,通過結(jié)合石墨烯和碲化鉍的優(yōu)勢,基于石墨烯-碲化鉍異質(zhì)結(jié)的光探測器不僅顯示出極高的響應(yīng)度,而且還具有從可見光到近紅外波長的寬帶光電探測性能。2.用礦化劑輔助氣相相變法制備獲得了厘米尺寸的硒原子均勻分布的高質(zhì)量硒摻雜黑磷塊體,并通過改變生長條件實(shí)現(xiàn)了硒元素的可控?fù)诫s。對獲得的硒摻雜黑磷塊體使用機(jī)械玻璃的方法,成功制備了硒摻雜黑磷薄膜場效應(yīng)晶體管,其開關(guān)比可達(dá)10~5,載流子遷移率為561 cm~2V~(-1)s~(-1),而摻雜1.6%硒的黑磷光探測器響應(yīng)率是本征黑磷的20倍。通過在黑磷薄膜的上方沉積Si_xN_y層可有效實(shí)現(xiàn)n型摻雜,摻雜后電子遷移率顯著提高至~176 cm~2V~(-1)s~(-1),同時提高了器件的輸出電流,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了黑磷的平面p-n結(jié)構(gòu)筑。值得一提的是,Si_xN_y層還能顯著提高黑磷在空氣中的穩(wěn)定性。3.通過光刻輔助和化學(xué)氣相沉積的方法在2英寸SiO_2/Si基底上成功制備出PtS_2、PtSe_2、PtS_2-PtSe_2異質(zhì)結(jié)、不同厚度PtS_2-PtS_2和PtSe_2-PtSe_2同質(zhì)結(jié)材料的光電二極管陣列結(jié)構(gòu),并系統(tǒng)地研究了器件的光電學(xué)性能,結(jié)合理論計(jì)算與開爾文探針顯微鏡(KPFM)以及紫外光電子能譜(UPS)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明PtS_2-PtSe_2異質(zhì)結(jié)界面形成了內(nèi)建電場。異質(zhì)結(jié)界面形成的內(nèi)建電場使PtS_2-PtSe_2光電二極管器件在光照射下具有自驅(qū)動光電響應(yīng),且器件具有在405~2200 nm寬波段范圍的光響應(yīng)性能,器件的光響應(yīng)率高達(dá)361 mAW~(-1),外量子效率(EQE)達(dá)到84%。利用開孔Z掃描技術(shù)測量了PtSe_2的非線性光學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)PtSe_2在1064 nm近紅外波段具有26%的高調(diào)制深度和0.346 GWcm~(-2)的飽和強(qiáng)度,是一種理想飽和吸收體。將PtSe_2的可飽和吸收體插入鐿摻雜光纖激光器,可產(chǎn)生典型的孤子鎖模脈沖信號,其鎖模脈沖的中心波長在1064.47 nm處,脈沖寬度為470 ps,3-dB光譜帶寬為2.0 nm,重復(fù)頻率為4.08 MHz,信噪比為53 dB。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304
【圖文】：

圖 1-1．幾種典型二維材料。Figure 1-1. Several kinds of typical 2D materials.18維窄帶隙材料的發(fā)展石墨烯理論和應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，石墨烯研究在應(yīng)用中也遇到石墨烯能的直接帶隙帶結(jié)構(gòu)制約其作為半導(dǎo)體開關(guān)器件的應(yīng)用性吸收強(qiáng)度較弱、非線性光學(xué)調(diào)制深度低（~1%），這都限制其9,20。因此，科研工作者迫切希望找到合適的類石墨烯材料彌補(bǔ)石找到合適的石墨烯替代材料21。近年來，二維材料如過渡金屬硫）22，黑磷（BP）23，拓?fù)浣^緣體（TI）24，石墨烯異質(zhì)結(jié)等類石料，由于它們優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能，再一次吸引了很多研究材料研究領(lǐng)域。

圖 1-2．范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)建示意圖。Figure 1-2. Schametic illustration of fabricating van der Waals heterostructures.12關(guān)于石墨烯-窄帶隙材料二維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的制備及光電應(yīng)用已有大量報道。結(jié)構(gòu)體系的非線性光學(xué)響應(yīng)特性也有了初步探索。Wang 等通過兩步化學(xué)氣相法制備 Bi2Te3-石墨烯材料55，在 1067 nm 波長下通過 Z 掃描探測技術(shù)觀測到質(zhì)結(jié)材料的飽和吸收強(qiáng)度為 2.61 MWcm-2且光學(xué)非線性吸收調(diào)制深度為 23.1們的成果充分證明了以石墨烯為基礎(chǔ)結(jié)合其它窄帶隙材料制備的異質(zhì)結(jié)材料光電學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域有著極大潛力。特別在將石墨烯基光探測器件探測波長進(jìn)一寬到中紅外甚至遠(yuǎn)紅外波段，并提高響應(yīng)率56。石墨烯無帶隙的并有高的載流移率的特點(diǎn)，拓?fù)浣^緣體這種體態(tài)帶隙很大幾乎等同于絕緣體，但表面態(tài)能和石墨烯類似狄拉克錐形無帶隙的，將石墨烯同拓?fù)浣^緣體進(jìn)行結(jié)合，這種的復(fù)合材料意味著它的吸收可以滿足中遠(yuǎn)紅外波段的探測。此外，拓?fù)浣^緣

圖 1-3．對比黑磷與不同的二維半導(dǎo)體材料的帶隙。gure 1-3. Comparison of the band gap values for different 2D semiconductor materia從 1914 年，美國科學(xué)家 Percy Bridgman 在高溫高壓環(huán)境下59,60，將出磷元素新的同素異構(gòu)體黑磷以來。黑磷材料一直受到科研工作這1-63。特別是在 2013 年，復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授通過手撕剝離出黑磷烯以科研人員大量應(yīng)用于光電學(xué)器件中，以研究它的本征性質(zhì)。通過這層黑磷是典型的類石墨烯材料，首先，黑磷塊體是單層的磷原子通力堆疊而成的二維晶體材料；其次，黑磷材料的帶隙隨厚度變化在 0.間變化（圖 1-3）；另外，黑磷材料表現(xiàn)出非常優(yōu)異的載流子遷移率以，報道基于塊體黑磷的光電器件的載流子遷移率達(dá) 10000 cm2V-1s-1，光電器件上也能達(dá)到 1000 cm2V-1s-1；最后，黑磷也是一個平面內(nèi)具范德華結(jié)合層狀材料。這些優(yōu)異的性質(zhì)使得黑磷在超快光電子學(xué)研在近紅外波長，具有很好應(yīng)用的前景，另外黑磷的平面內(nèi)的各向異

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 劉姝妤;鐘綿增;孟秀清;李京波;王沅倩;肖思;何軍;;ZnO/ZnS核-殼量子點(diǎn)的雙光子吸收效應(yīng)(英文)[J];發(fā)光學(xué)報;2015年02期

2 匡達(dá);胡文彬;;石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J];無機(jī)材料學(xué)報;2013年03期

3 袁小亞;;石墨烯的制備研究進(jìn)展[J];無機(jī)材料學(xué)報;2011年06期

本文編號：2784138