本文關(guān)鍵詞：石墨烯的化學(xué)氣相沉積及其在光電器件中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：石墨烯以其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì),在光電子和微電子器件中有著廣泛的應(yīng)用前景。在石墨烯眾多制備方法中,化學(xué)氣相外延(chemical vapor deposition,CVD)因其成本適中、所制備石墨烯質(zhì)量好、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn),成為石墨烯目前非常重要的制備方法。雖然各國(guó)科學(xué)家投入了巨大的精力研究石墨烯的相關(guān)技術(shù),但無(wú)論石墨烯在制備上還是在器件應(yīng)用上仍有許多問(wèn)題需要解決。本論文采用冷壁垂直CVD方法制備石墨烯,該方法可快速升溫降溫,垂直供氣,可以急劇縮短石墨烯的生長(zhǎng)時(shí)間,而保持較高的質(zhì)量。針對(duì)如何提高石墨烯的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性,石墨烯的轉(zhuǎn)移工藝易造成破損和沾污,以及與半導(dǎo)體材料歐姆接觸等關(guān)鍵問(wèn)題,開展液態(tài)銅上的石墨烯CVD生長(zhǎng)、免轉(zhuǎn)移石墨烯直接CVD生長(zhǎng)、改善石墨烯與pGaN的歐姆接觸等研究,并探究將石墨烯應(yīng)用于GaN LED和GaN紫外探測(cè)器。獲得了高質(zhì)量的石墨烯,擴(kuò)展了其在光電子器件中的應(yīng)用。本論文主要工作如下:1)研究在銅箔和鉑箔上制備單層石墨烯的技術(shù),并且利用改進(jìn)鼓泡法,將鉑箔上所生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上。因?yàn)楣桢冦~的表面比常規(guī)銅箔更平整,易獲得高質(zhì)量的石墨烯,研究了在硅鍍銅上石墨烯生長(zhǎng)技術(shù),得到了拉曼光譜無(wú)D峰,2D/G強(qiáng)度比值為4.1的高質(zhì)量單層石墨烯。為了解決硅鍍銅上石墨烯轉(zhuǎn)移的問(wèn)題,研究了一種極其方便的硅鍍銅上“自分離”石墨烯的轉(zhuǎn)移方法,這一方法使大面積轉(zhuǎn)移硅鍍銅上石墨烯成為可能。由于固態(tài)銅箔的表面粗糙度較大,銅在熔融狀態(tài)下可以消除固態(tài)銅表面的晶界,利于大單晶生長(zhǎng)。因此研究了在液態(tài)銅上石墨烯生長(zhǎng)技術(shù),獲得了上百微米的大單晶,得到了拉曼光譜2D/G強(qiáng)度比值為3.1的高質(zhì)量單層石墨烯。2)石墨烯作為透明導(dǎo)電層在GaN LED應(yīng)用中,以金屬箔片作為催化劑生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題,影響器件性能的提高。我們進(jìn)行石墨烯免轉(zhuǎn)移直接在目標(biāo)襯底上CVD生長(zhǎng)的研究。發(fā)現(xiàn)在GaN外延片表面預(yù)先濺射淀積3-5nm的鎳,在800℃時(shí)就可以在GaN外延片表面直接沉積石墨烯。這樣既避免了石墨烯轉(zhuǎn)移,也保證了較好的歐姆接觸。同時(shí),相對(duì)低的生長(zhǎng)溫度也可保證外延片的性能不受影響,有較好的應(yīng)用前景。利用銅作為催化劑,嘗試了二次催化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)完成生長(zhǎng)的石墨烯之上濺射一層銅,高溫加熱之后可以改善已直接生長(zhǎng)的石墨烯的質(zhì)量。3)為拓展石墨烯在GaN LED中的應(yīng)用,進(jìn)行改善石墨烯與pGaN的歐姆接觸及提高石墨烯穩(wěn)定性的研究。使用納米ITO薄層作為插入層,極大的改善了石墨烯與pGaN的接觸,幾乎不影響透光率。在文獻(xiàn)報(bào)道中,發(fā)現(xiàn)石墨烯-GaN LED有失效的問(wèn)題,但是對(duì)于這一問(wèn)題并沒有做出深入的研究。本文通過(guò)石墨烯的熱穩(wěn)定性研究來(lái)探索了石墨烯-GaN LED的失效機(jī)理,制備出了可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的器件。4)表面微結(jié)構(gòu)是提高LED出光效率的有力措施。研究了納米柱GaN LED。使用石墨烯作為透明導(dǎo)電層可以簡(jiǎn)化納米柱LED制作工藝,充分發(fā)揮懸浮石墨烯超高電導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì),改善GaN LED電流擴(kuò)展。因此研究了石墨烯在納米柱GaN LED中的應(yīng)用,成功的制備了石墨烯-納米柱GaN LED,并且獲得了32%的輸出功率的提高。研究了石墨烯在光子晶體GaN LED中的應(yīng)用,成功了制備了可以均勻發(fā)光的石墨烯-光子晶體GaN LED。5)傳統(tǒng)GaN肖特基紫外探測(cè)器,使用半透明金屬作為陽(yáng)極,透光率低,影響光吸收。石墨烯在紫外波段透光率高并且功函數(shù)可調(diào),因此制備了石墨烯-nGaN肖特基結(jié)紫外探測(cè)器,制備出了-8V時(shí)漏電流密度為1e-8 A/cm2的肖特基光電二極管,響應(yīng)時(shí)間為幾毫秒。通過(guò)AuCl3摻雜提高了器件的性能,通過(guò)熱電子發(fā)射理論計(jì)算出了AuCl3摻雜前后石墨烯-nGaN肖特基結(jié)的勢(shì)壘變化。對(duì)這一類型器件的性能提高進(jìn)行了進(jìn)一步探索,通過(guò)納米柱和表面刻蝕兩種方法,獲得了-6V時(shí)的響應(yīng)度為1.98 A/W和357 A/W的兩種器件,并且分析了器件出現(xiàn)如此大響應(yīng)度的成因。利用一半電調(diào)制一半化學(xué)摻雜,制備了石墨烯光電探測(cè)器,并且觀測(cè)了光響應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 冷壁CVD GaN LED 探測(cè)器
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.11;TN312.8
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 石墨烯簡(jiǎn)介11-14
• 1.1.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)11-12
• 1.1.2 石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)12-13
• 1.1.3 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)13-14
• 1.1.4 石墨烯的電學(xué)性質(zhì)14
• 1.1.5 石墨烯的光學(xué)性質(zhì)14
• 1.2 石墨烯的制備方法14-16
• 1.3 石墨烯的應(yīng)用16-18
• 1.4 石墨烯的檢測(cè)與分析方法18-21
• 1.4.1 光學(xué)顯微鏡18-19
• 1.4.2 拉曼光譜19-20
• 1.4.3 原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡20
• 1.4.4 霍爾測(cè)試20
• 1.4.5 透光率測(cè)試20-21
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)21-23
• 第二章 石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移23-33
• 2.1 冷壁化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)23-26
• 2.2 CVD法制備石墨烯的基本原理26-27
• 2.3 石墨烯的轉(zhuǎn)移27-33
• 2.3.1 腐蝕基地法轉(zhuǎn)移27-30
• 2.3.2 鼓泡法轉(zhuǎn)移30-33
• 第三章 石墨烯的冷壁系統(tǒng)化學(xué)氣相外延研究33-53
• 3.1 金屬箔片作為催化劑的石墨烯CVD生長(zhǎng)33-37
• 3.1.1 銅箔作為催化劑的石墨烯CVD生長(zhǎng)33-36
• 3.1.2 鉑箔作為催化劑的CVD催化生長(zhǎng)36-37
• 3.2 硅鍍銅作為催化的石墨烯CVD生長(zhǎng)37-41
• 3.2.1 硅鍍銅作為催化劑最佳生長(zhǎng)條件的研究37-39
• 3.2.2 銅-硅自剝離石墨烯CVD生長(zhǎng)39-41
• 3.3 液態(tài)銅作為催化劑的石墨烯CVD生長(zhǎng)41-45
• 3.3.1 材料制備42
• 3.3.2 測(cè)試與分析42-45
• 3.4 在GaN襯底上的直接生長(zhǎng)45-50
• 3.4.1 基本理論45-46
• 3.4.2 材料制備與分析46-48
• 3.4.3 鍍銅二次催化48-50
• 3.5 冷壁CVD系統(tǒng)的快速生長(zhǎng)機(jī)理研究50-53
• 第四章 石墨烯作為透明導(dǎo)電層在GaN LED中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究53-89
• 4.1 石墨烯透明導(dǎo)電層概述53-55
• 4.2 GaN LED簡(jiǎn)介55-63
• 4.2.1 GaN LED發(fā)展歷史56
• 4.2.2 LED發(fā)光原理56-58
• 4.2.3 GaN LED的器件結(jié)構(gòu)與制作工藝58-62
• 4.2.4 GaN LED的性能參數(shù)62-63
• 4.3 石墨烯-GaN LED研究63-71
• 4.3.1 石墨烯-GaN LED的制備63-68
• 4.3.2 測(cè)試與分析68-71
• 4.4 石墨烯與p型GaN的歐姆接觸71-72
• 4.5 應(yīng)用ITO過(guò)渡層的石墨烯-GaN LED72-80
• 4.5.1 應(yīng)用ITO插入層的石墨烯-GaN LED的理論72-73
• 4.5.2 應(yīng)用ITO插入層的石墨烯-GaN LED的器件制備73-75
• 4.5.3 測(cè)試與分析75-80
• 4.6 石墨烯-GaN LED的熱穩(wěn)定研究80-89
• 4.6.1 石墨烯的熱穩(wěn)定性80-83
• 4.6.2 有臺(tái)階的石墨烯的導(dǎo)電穩(wěn)定性83-85
• 4.6.3 石墨烯-GaN LED的穩(wěn)定性85-89
• 第五章 應(yīng)用表面納米結(jié)構(gòu)的石墨烯-GaN LED89-105
• 5.1 應(yīng)用納米柱結(jié)構(gòu)的石墨烯-GaN LED89-100
• 5.1.1 應(yīng)用納米柱結(jié)構(gòu)的石墨烯-GaN LED的理論89-92
• 5.1.2 應(yīng)用納米柱結(jié)構(gòu)的石墨烯-GaN LED的實(shí)驗(yàn)92-94
• 5.1.3 測(cè)試與分析94-100
• 5.2 應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)的的石墨烯-GaN LED100-105
• 5.2.1 應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)的的石墨烯-GaN LED的理論100-101
• 5.2.2 應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)的的石墨烯-GaN LED的器件制備101-102
• 5.2.3 測(cè)試與分析102-105
• 第六章 石墨烯在光電探測(cè)器中的應(yīng)用105-129
• 6.1 石墨烯-GaN紫外探測(cè)器的研究105-118
• 6.1.1 石墨烯-GaN紫外探測(cè)器的基本理論106-108
• 6.1.2 石墨烯-GaN紫外探測(cè)器的制備108-110
• 6.1.3 器件測(cè)試與分析110-118
• 6.2 石墨烯-nGaN紫外探測(cè)器性能提高研究118-123
• 6.3 場(chǎng)效應(yīng)調(diào)制摻雜的石墨烯pn結(jié)光電探測(cè)器123-129
• 6.3.1 石墨烯pn結(jié)探測(cè)器概述123-124
• 6.3.2 器件工藝制備124-126
• 6.3.3 測(cè)試與分析126-129
• 結(jié)論129-131
• 參考文獻(xiàn)131-139
• 攻讀博士期間所取得的成果139-141
• 致謝141-142

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  本文關(guān)鍵詞：石墨烯的化學(xué)氣相沉積及其在光電器件中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：259305