【摘要】：PN結(jié)是電子學(xué)和光電子學(xué)器件的核心部件。隨著器件的尺寸越來(lái)越小,納米尺度PN異質(zhì)結(jié)的研究顯得尤為重要。然而,因?yàn)閼覓戽I和晶格失配,傳統(tǒng)材料很難實(shí)現(xiàn)原子級(jí)平整的異質(zhì)結(jié)界面,限制了納米尺度PN異質(zhì)結(jié)的發(fā)展。二維材料是一類層間依靠范德華力結(jié)合在一起的表面無(wú)懸掛鍵的層狀材料。二維材料通過(guò)簡(jiǎn)單的堆疊,就可以實(shí)現(xiàn)各種功能的原子級(jí)平整的異質(zhì)結(jié)。因此,二維材料為我們研究納米尺度的異質(zhì)結(jié)提供了理想的平臺(tái)。本論文主要研究三種不同類型的范德華異質(zhì)結(jié)。三個(gè)異質(zhì)結(jié)都展現(xiàn)了獨(dú)特的電學(xué)和光電子學(xué)特性,證明納米尺度范德華異質(zhì)結(jié)是研究新原理器件和物理機(jī)制的有效手段。通過(guò)對(duì)異質(zhì)結(jié)性能的表征,證明納米尺度范德華異質(zhì)結(jié)在納米電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。本論文首先介紹石墨烯(graphene)/二硒化鎢(WSe2)范德華異質(zhì)結(jié)中的整流特性和極性反轉(zhuǎn)特性,并介紹該異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異光伏探測(cè)性能。該異質(zhì)結(jié)在零偏壓下的光響應(yīng)率可以達(dá)到66.2mA/W,比探測(cè)率可以達(dá)到1013cm Hz1/2/W。然后介紹黑砷磷(b-AsP)/二硫化鉬(MoS2)異質(zhì)結(jié)的光電特性。利用b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)為例,我們提出了一個(gè)普適方法來(lái)提高室溫中紅外光電探測(cè)器的性能。寬帶隙與窄帶隙材料堆疊而成的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器,可以極大地抑制暗電流和噪聲,大幅提升器件的性能。基于b-AsP/MoS2異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的性能超過(guò)了現(xiàn)有的商用室溫中紅外探測(cè)器的性能。最后介紹硒化銦(InSe)/黑磷(BP)異質(zhì)結(jié)獨(dú)特的電學(xué)和光電性能。在InSe/BP異質(zhì)結(jié)中,我們首次觀測(cè)到彈道雪崩現(xiàn)象,并基于此現(xiàn)象制作了彈道雪崩光電探測(cè)器和彈道雪崩場(chǎng)效應(yīng)晶體管�；趶椀姥┍罊C(jī)制的中紅外探測(cè)器展現(xiàn)了極高的光子放大倍數(shù),噪聲可以低于傳統(tǒng)雪崩探測(cè)器的理論極限�；趶椀姥┍罊C(jī)制的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的平均亞閾值擺幅可以達(dá)到0.25mV/dec。為了證明該雪崩探測(cè)器的工作機(jī)制是彈道雪崩,我們測(cè)試了 BP垂直方向的法布里-波羅(Fabry-Perot)干涉圖案,直接證明了載流子在BP垂直方向的輸運(yùn)是彈道輸運(yùn)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O475
【圖文】：

率遠(yuǎn)高于相同厚度的傳統(tǒng)材料，很容易堆疊形成各種功能的異質(zhì)結(jié)器件。而且原逡逑子層厚度的二維材料的摻雜可以通過(guò)柵極電壓靜電摻雜實(shí)現(xiàn)，不需要原子的替換，逡逑為原子尺度ＰＮ異質(zhì)結(jié)的實(shí)現(xiàn)提供了可能［９］。圖１．２給出了傳統(tǒng)材料異質(zhì)結(jié)界面逡逑與二維材料異質(zhì)結(jié)界面的透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）圖片。傳統(tǒng)材料的異質(zhì)結(jié)界面逡逑存在明顯的晶格失配和缺陷，相反二維材料異質(zhì)結(jié)界面卻展現(xiàn)了原子級(jí)平整的異逡逑質(zhì)結(jié)界面。所以，二維材料異質(zhì)結(jié)為我們研究納米尺度的ＰＮ結(jié)的本征性質(zhì)提供逡逑了可能。通過(guò)堆疊二維材料制備納米尺度范德華異質(zhì)結(jié)，我們不僅可以研究一些逡逑２逡逑

ｔｉｍｅ邋（ｓ）邐（ａ．ｕ）逡逑圖１．１摻雜對(duì)短溝道器件的影響。ａ，短溝道器件的結(jié)構(gòu)圖。柵極用紅色區(qū)域表逡逑示，柵極的寬度是３０邋ｎｍ�；疑糠譃橹�?fù)诫s的硅，用來(lái)做接觸［３］。ｂ，根據(jù)摻逡逑雜濃度模擬得到的砷原子分布圖［３］。ｃ，相同摻雜情況下器件的場(chǎng)效應(yīng)曲線。虛逡逑線是表現(xiàn)最好的場(chǎng)效應(yīng)曲線，對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟電壓在－０．５邋Ｖ，如箭頭所示。多數(shù)器件逡逑的場(chǎng)效應(yīng)曲線如紅色和藍(lán)色實(shí)線所示［３］。ｄ，有無(wú)光照時(shí)的電流隨時(shí)間的變化。逡逑光照后器件的電流出現(xiàn)明顯的隨機(jī)波動(dòng)［８］。逡逑石墨烯和過(guò)渡金屬硫族化合物（ＴＭＤＣ）等二維材料的發(fā)現(xiàn)給ＰＮ異質(zhì)結(jié)等逡逑元器件的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。二維材料只有原子層厚度，表面無(wú)懸掛鍵，遷移逡逑率遠(yuǎn)高于相同厚度的傳統(tǒng)材料，很容易堆疊形成各種功能的異質(zhì)結(jié)器件。而且原逡逑子層厚度的二維材料的摻雜可以通過(guò)柵極電壓靜電摻雜實(shí)現(xiàn)，不需要原子的替換，逡逑為原子尺度ＰＮ異質(zhì)結(jié)的實(shí)現(xiàn)提供了可能［９］。圖１．２給出了傳統(tǒng)材料異質(zhì)結(jié)界面逡逑與二維材料異質(zhì)結(jié)界面的透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）圖片。傳統(tǒng)材料的異質(zhì)結(jié)界面逡逑存在明顯的晶格失配和缺陷

減薄后的無(wú)機(jī)電子器件的遷移率和開(kāi)關(guān)比遠(yuǎn)好于有機(jī)電子器件，因此用來(lái)做柔性逡逑電子和光電子器件更有前途。逡逑下面以石墨烯和Ｍ0Ｓ２為例來(lái)具體闡述二維材料的一些基本性質(zhì)。如圖１．３ａ逡逑所示，石墨是多層石墨烯通過(guò)范德華力按照一定的角度結(jié)合堆疊在一起形成的層逡逑狀材料。單層碳原子的面內(nèi)是依靠共價(jià)鍵結(jié)合在一起的。石墨烯的碳原子位于同逡逑一個(gè)平面內(nèi)，單層石墨烯的厚度大約為０．３５ｎｍ，是目前己知的最薄的材料［１３］。逡逑石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)如圖１．３ｂ和圖１．３ｃ所示，在低能區(qū)，能帶滿足線性色散關(guān)系，逡逑因此石墨烯低能能帶中的載流子是無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。線性色散關(guān)系使單層逡逑石墨烯擁有超高徖移率［１７，邋２７－３９］。逡逑ｉ逡逑Ｔ逡逑圖１．３石墨的結(jié)構(gòu)和能帶圖［１３］。ａ，單層石墨稀的原子結(jié)構(gòu)圖，層內(nèi)的碳原子通逡逑過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合在一起。ｂ，石墨的原子結(jié)構(gòu)圖，相鄰的碳原子層通過(guò)范德華力結(jié)逡逑４逡逑

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