光電探測器不管是在軍事還是民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,在軍事領(lǐng)域用來制導(dǎo)、夜視成像和遙感監(jiān)測,民用領(lǐng)域被用作煙霧報(bào)警、健康醫(yī)療以及安防等。石墨烯墻是一種具有優(yōu)異光學(xué)和電學(xué)性能的三維碳材料,并且能夠大面積、低成本的制備,這些特性使得石墨烯墻在光電探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景及市場潛力。本論文系統(tǒng)地針對石墨烯墻光電性能以及基于石墨烯墻的光電導(dǎo)型探測器進(jìn)行了研究。具體的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.石墨烯墻的生長與表征。利用成熟的射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)方法通過控制不同的氣體比例、生長溫度和生長時(shí)間在硅和銅箔基底上合成了不同高度的石墨烯墻。并且,使用一系列的表征測試儀器包括SEM、AFM、拉曼光譜儀、紅外光譜儀等對石墨烯墻的表面形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能等進(jìn)行了表征。2.石墨烯墻的轉(zhuǎn)移工藝。采用與石墨烯類似的轉(zhuǎn)移方法將石墨烯墻從銅箔轉(zhuǎn)移到其它基底,包括硅、PDMS和PET。由于石墨烯墻比石墨烯更加牢固,轉(zhuǎn)移過程中無需旋涂PMMA保護(hù),另外選用了較溫和的過硫酸銨刻蝕液來刻蝕銅箔。為了方便轉(zhuǎn)移,通過氧等離子體(或者紫外臭氧)對基底進(jìn)行了親水性處理。3.高分子柔性基底與石墨烯墻復(fù)合器件的制備研究。石墨烯墻與三種具有不同熱膨脹系數(shù)(CTE)的基底(硅、PET、PDMS)復(fù)合后,器件具有不同的電阻溫度系數(shù)(TCR)。對于PDMS/GNWSs器件,由于PDMS較高的熱膨脹系數(shù)以及石墨烯墻超高的紅外吸光率,最后測得器件的TCR最高能夠達(dá)到180%/K。當(dāng)人體作為紅外輻射源的時(shí)候,器件探測到的最大電流變化率為16%。同時(shí)器件對波長980nm的紅外激光和紅外燈也有不錯(cuò)的響應(yīng),響應(yīng)率和比探測率分別為1.15mA/W和1.07×10~8 cmHz~(1/2)W~(-1),好于傳統(tǒng)碳納米管材料的光電探測器。在柔性性能方面,將器件多次彎曲,重復(fù)1000次,器件性能仍沒有明顯變化,這說明高強(qiáng)度的彎曲沒有對該器件造成損壞,這在實(shí)際應(yīng)用中有十分重要的意義。而對于PET/GNWSs器件,能夠?qū)Χ鄠�(gè)波段紅外光響應(yīng),測試得到的最長響應(yīng)波長為1750nm,同時(shí)器件也具備較好的柔性性能,此前,很少有工作涉及到利用石墨烯墻作為紅外探測器的敏感材料,這項(xiàng)工作表明,石墨烯墻有應(yīng)用在紅外探測領(lǐng)域的潛力。4.硅/石墨烯墻復(fù)合的光電導(dǎo)器件的制備研究。通過將不同摻雜類型硅(本征硅、p硅和n硅)與石墨烯墻復(fù)合,得到Si/GNWSs肖特基勢壘器件,測試了不同石墨烯墻厚度以及不同溝道尺寸下的光電響應(yīng)。為了得到溝道更窄的石墨烯墻,重點(diǎn)研究了石墨烯墻的圖形化工藝,利用半導(dǎo)體光刻與刻蝕工藝得到了目標(biāo)尺寸,并初步測得不同尺寸窄溝道的響應(yīng)。另外,通過在硅的背面施加?xùn)艠O電壓對硅/石墨烯墻勢壘進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而調(diào)控載流子,使得器件的增益得到顯著的增加,同時(shí)響應(yīng)率也有一個(gè)很大的提升。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN36
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 光電探測器
        1.2.1 光電探測器的類別與一般原理
        1.2.2 光電探測器的應(yīng)用
        1.2.3 光電探測器的性能指標(biāo)
    1.3 典型的碳材料光電探測器
        1.3.1 石墨烯光電探測器
        1.3.2 石墨烯量子點(diǎn)光電探測器
        1.3.3 碳納米管光電探測器
    1.4 石墨烯墻薄膜的性質(zhì)及其應(yīng)用
        1.4.1 石墨烯墻的結(jié)構(gòu)與生長機(jī)理
        1.4.2 石墨烯墻的主要性能
        1.4.3 石墨烯墻的應(yīng)用現(xiàn)狀
    1.5 本論文的主要工作內(nèi)容與目的
        1.5.1 基于石墨烯墻的柔性紅外探測器
        1.5.2 與硅工藝兼容的高響應(yīng)寬波段石墨烯墻光電探測器
第二章 石墨烯墻的制備與表征
    2.1 石墨烯墻的制備
    2.2 石墨烯墻的表征
        2.2.1 表征儀器簡介
        2.2.2 石墨烯墻的SEM形貌
        2.2.3 石墨烯墻的紅外吸收率
        2.2.4 石墨烯墻拉曼特征峰
        2.2.5 石墨烯墻的三維結(jié)構(gòu)
    2.3 本章小結(jié)
第三章 石墨烯墻與高分子復(fù)合的柔性紅外探測器
    3.1 高分子材料PDMS和PET簡介
        3.1.1 PDMS簡介
        3.1.2 PET簡介
    3.2 器件的制備
    3.3 不同基底對器件TCR的影響
    3.4 紅外輻射響應(yīng)理論
        3.4.1 紅外熱探測原理示意圖
        3.4.2 紅外熱探測器性能的理論
    3.5 PDMS與GNWSs復(fù)合器件的熱響應(yīng)
    3.6 紅外響應(yīng)與柔性性能
        3.6.1 PDMS與石墨烯墻復(fù)合器件的紅外響應(yīng)和柔性性能
        3.6.2 PET與石墨烯墻復(fù)合器件的紅外與柔性響應(yīng)性能
    3.7 本章小結(jié)
第四章 硅/石墨烯墻寬波段高響應(yīng)光電導(dǎo)探測器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    4.1 器件結(jié)構(gòu)與理論
    4.2 硅/石墨烯墻復(fù)合器件光電響應(yīng)
        4.2.1 本征硅/石墨烯墻光電響應(yīng)
        4.2.2 P硅/石墨烯墻的光電響應(yīng)
        4.2.3 N硅/石墨烯墻的光電響應(yīng)
    4.3 石墨烯墻圖形化工藝
        4.3.1 AZ3100作為掩蔽層刻蝕石墨烯墻
        4.3.2 AZ1500取代AZ3100掩蔽層
        4.3.3 金屬Ni作為石墨烯墻刻蝕的掩蔽層
        4.3.4 LOR二次膠工藝
    4.4 窄溝道器件的制備與測試
        4.4.1 工藝流程
        4.4.2 器件響應(yīng)測試
    4.5 本章小結(jié)
第五章 結(jié)論與展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士期間取得的成果

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本文編號：2892502