由于具有一系列獨特的物理化學(xué)性質(zhì),低維半導(dǎo)體材料在電子學(xué)、光電子學(xué)、力學(xué)、傳感器等研究領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。目前,隨著納米技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體行業(yè)的需求,低維半導(dǎo)體材料的理論篩選、可控制備、量子尺度下物性研究均存在很多亟需解決的問題。在光電探測器研究領(lǐng)域,充當(dāng)溝道材料的低維半導(dǎo)體需要具備合適的能帶帶隙、高質(zhì)量的晶體質(zhì)量以及可控的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)。寬波段探測是現(xiàn)今光電探測技術(shù)的發(fā)展要求之一。本論文采用固態(tài)源化學(xué)氣相沉積(CVD)方法可控制備了探測可見光的全無機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)物PbI2納米帶以及探測紅外光的全無機(jī)無鉛CsSnX3鈣鈦礦納米線陣列和全組份可調(diào)的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體GaAs1-xSbx納米線,并進(jìn)一步研究了覆蓋可見光到紅外光的光電探測器的器件性能。具體內(nèi)容歸納如下:1.可控制備大尺寸、高質(zhì)量PbI2納米帶及其光電探測性能研究:采用簡單易操作的固態(tài)源CVD方法實現(xiàn)兩步法自催化制備大尺寸(長度大于100 μm)、高結(jié)晶質(zhì)量的PbI2納米帶。制備的PbI2納米帶帶隙為2.36eV,對可見光展示出良好的探測性能:4 pA的低暗電流,103-104的電流開關(guān)比,13 mA·W-1的響應(yīng)率和425 ms和41 ms的上升與下降時間等。所有結(jié)果表明所制備的大尺寸、高質(zhì)量PbI2納米帶在新一代高性能光電探測器件中有著巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry C,2018,6,5746。2.可控制備全無機(jī)無鉛鈣鈦礦納米線陣列及其紅外光探測性能研究:采用固態(tài)源CVD方法在云母襯底上可控制備了全無機(jī)無鉛CsSnX3(X=Cl,Br和I)鈣鈦礦納米線陣列。一方面,避免了 Pb元素的毒性:另一方面,減小現(xiàn)有的鈣鈦礦半導(dǎo)體材料帶隙至近紅外波段。通過調(diào)節(jié)Br/I元素比,所制備的CsSnX3(X=Br和I)鈣鈦礦納米線陣列的帶隙從1.84eV降低到1.34eV,并首次實現(xiàn)了基于全無機(jī)鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的紅外探測器件,展示出優(yōu)良的探測性能:3.85×105 Jones的高探測率,54 mA·W-1的響應(yīng)率以及83.8 ms和243.4 ms的上升與下降時間等。所有結(jié)果都表明制備的全無機(jī)無鉛CsSnX3鈣鈦礦納米線陣列在新一代高性能光電探測器中有著巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C,2019,123,17566。3.可控制備全組份可調(diào)GaAs1-xSbx納米線及其紅外探測性能研究:基于窄帶隙Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體,可以通過能帶工程實現(xiàn)寬譜段紅外探測。該成果中采用簡單且低成本的表面活性劑輔助固態(tài)源CVD方法可控制備了全組分可調(diào)的高質(zhì)量GaAs1-xSbx納米線,對1310 nm紅外光展現(xiàn)出優(yōu)秀的探測性能:5.6×108 Jones的高探測率,616.4 A · W-1的高響應(yīng)率以及2.4 ms和6.3 ms的上升與下降時間等。總之,本研究結(jié)果將為寬波段光電探測器件溝道材料設(shè)計以及性能提升提供理論與技術(shù)支持。相關(guān)結(jié)果正在整理,待發(fā)表中。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN215;TN304
【部分圖文】：

了一番“納??米熱潮”。??到了?２００４年，英國科學(xué)家Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ與Ｇａｉｍ通過機(jī)械剝離的方法成功剝??離出穩(wěn)定的二維材料單層石墨烯，吸引了研宄人員的廣泛關(guān)注。１４石墨烯同樣具??有一系列優(yōu)異的物理性質(zhì)，然而無帶隙的半金屬特性限制了其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)??展。２３在此之后，人類對二維材料的探索也在不斷前進(jìn)，相繼發(fā)現(xiàn)了六方氮化硼??（ｈ－ＢＮ）：?Ｍ０Ｓ２、ＷＳ２、ＶＳｅ２等過渡金屬硫族化合物（ＴＭＤｓ）；硅烯、鍺烯、黑??磷（ＢＰ）等結(jié)構(gòu)及性質(zhì)各異的材料。９’１Ｑ’２３??圖１－２．石墨烯薄膜的（ａ）光學(xué)圖像以及（ｂ）單層石墨烯ＡＦＭ圖像１４??近年來，低維半導(dǎo)體材料雖然在生長制備、性能探索等方面研究有著很大的??進(jìn)展，并且也在逐步嘗試推廣應(yīng)用，但是關(guān)于其的研究，無論是材料篩癬物理??機(jī)理、器件工藝，還是與之相關(guān)的量子調(diào)控方面的研宄等，都還有很多亟待解決??的問題，未來人們關(guān)于這些問題的深入研宄將更有助于低維半導(dǎo)體材料在實際生??產(chǎn)生活中的推廣和應(yīng)用。??１．３低維半導(dǎo)體材料的可控制備??低維半導(dǎo)體材料的制備方法一般可以分為兩大類：一是將塊體材料通過刻蝕、??納米刻印等技術(shù)“打磨”成納米尺度的“自上而下”（Ｔｏｐ－Ｄｏｗｎ）制備方法，３３以這??種方法制備的低維材料一般會保留其體材料原有的大部分物理參數(shù)，例如雜質(zhì)濃??度、晶體方向等，但是“自上而下”的方法在生產(chǎn)的過程中，不可避免地會產(chǎn)生原??３??

１。，荖??＞?Ｉ?ａ．??耷?ＧａＰ?喻；??＂〇?＾?＊?ＧａＡｓＰ?Ｇａ２ｏ３．??＞?＊?Ｐｅｒｏｖｓｋｔｅ?（ｌｎ５ＡＩ）ＧａＮ?氣吩、１：＇．、…弋??Ｅ?Ｑ?Ｌｏｗ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｊｉａｌ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?黎：二二?１???３?ＱＷ：?ｑｕａｎｔｕｍ?ｗｅｌｔ；?ＱＤ：?ｑｕａｎｔｕｍ?ｄｏｔ?ＳｉＣ?ｄｉａｍｏｎｄ??？?????．．?．．??￣￣—?．．．．?ｔ??１９４０?１９６０?１９８０?２０００??圖１－４．光電探測材料的發(fā)展歷程２３??早在１８７３年，英國的Ｗ．史密斯就發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是受當(dāng)時條件??的限制，這種效應(yīng)長期處于理論探索階段，并未獲得實際應(yīng)用。十五年后，德國??科學(xué)家赫茲和他的助手勒納德利測定了帶電粒子的電荷質(zhì)量比，并對外光電效應(yīng)??進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研宄。二十世紀(jì)三十年代，俄國的庫別茨基利用光陰極以及連??續(xù)設(shè)置的打拿極制成了世界上第一個光電倍增管。四十年代初，測輻射熱計及溫??差型紅外探測器相繼問世。第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展，??６??

命以及較高??的載流子遷移率等性質(zhì)，低維納米材料在光電探測器的應(yīng)用中顯示出很多優(yōu)異的??光電特性，例如高響應(yīng)率、超高內(nèi)稟光電增益、快速響應(yīng)、亞波長效應(yīng)、低功耗??等等。此外，由于低維材料的尺寸小，且與目前半導(dǎo)體微電子技術(shù)有著良好??的兼容性，基于低維材料的光電探測器進(jìn)一步促進(jìn)了光電探測器的高度集成和小??型化，這對未來高性能光電探測系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。??早在２００１年，美國哈佛大學(xué)Ｃｈａｒｌｅｓ?Ｍ．?Ｌｉｅｂｅｒ課題組成功制備了單晶ＩｎＰ??納米線，并首次將其制成光電探測器，如圖１－５所示。同時表征了單根ＩｎＰ納米??線的光致發(fā)光（ＰＬ）性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其對不同方向偏振光的響應(yīng)有著驚人的各向異性。??這種本征的各向異性在集成光子電路、光開關(guān)互聯(lián)、近場成像及高分辨探測器等??丨Ｈｉ園??Ｉ?。［?令一一一?一??＊?Ｐｃ＾ｒｔｆ?ｄｉｆｉｓｌｔｙ??圖１－５．單根ＩｎＰ納米線的（ａ）?ＡＦＭ圖像與（ｃ，?ｄ）?ＰＬ光學(xué)偏振特性及（ｂ，?ｅ）偏振光探測??器測試與性能４１??２０１３年，Ｇ．?Ｚ．?Ｓｈｅｎ課題組通過簡單的ＣＶＤ方法，成功合成了?ｐ型單晶??Ｚｎ３Ａｓ２納米線，空穴遷移率達(dá)到３０５．５?ｃｍ２?？?Ｖ－１?？?Ｓ－１。并分別在剛性Ｓｉ０２／Ｓｉ襯底??及柔性ＰＥＴ襯底上通過接觸印刷的方法，制成了陣列納米線光電探測器件。相??比于單根納米線器件，陣列納米線器件顯示出更強(qiáng)的光電性能。此外，在柔性襯??底上的演示進(jìn)一步拓展了低維光電器件的應(yīng)用。４２??１０??
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