石墨烯光電性能調(diào)控及功能化器件的研究.pdf

1、石墨烯是由單層碳原子組成的二維蜂窩狀晶體，由于其獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)，超高的載流子遷移率，超寬的光譜吸收，在電子和光電子學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注?；谑┑奶綔y(cè)器、傳感器等各種高性能器件也被不斷地研究并報(bào)導(dǎo)。然而，石墨烯較低的光吸收率使其在光電探測(cè)器中的應(yīng)用受到了一定程度的限制?；诖?，研究者開(kāi)發(fā)了多種提高光吸收或載流子分離效率的方法用來(lái)改善石墨烯光電探測(cè)器的性能，如采用非對(duì)稱(chēng)電極、PN結(jié)、光學(xué)微腔、硅波導(dǎo)、等離激元等。此外，通過(guò)復(fù)合量子點(diǎn)

2、、制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方法在探測(cè)器中引入增益機(jī)制，也可以極大地提高了探測(cè)器的性能。盡管如此，石墨烯光電探測(cè)器在成本、制備技術(shù)、性能穩(wěn)定性等方面仍需要進(jìn)一步改善。為了加快石墨烯的應(yīng)用進(jìn)程，還可以開(kāi)發(fā)新型功能器件并拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前基于石墨烯的功能化器件還有氣體傳感器，壓力傳感器，生物探測(cè)器，PH傳感器，重金屬探測(cè)器等。新型探測(cè)器的出現(xiàn)，不僅為石墨烯的發(fā)展和應(yīng)用提供了廣闊的空間，也讓相應(yīng)的探測(cè)傳感領(lǐng)域出現(xiàn)了新的發(fā)展機(jī)遇。本論文研究了石墨烯光電

3、性能的調(diào)控方法，并制備了基于石墨烯的多種功能性探測(cè)器，具體內(nèi)容如下:
　　1.利用激光輻照改性的方法在石墨烯器件上制備結(jié)區(qū)，拉曼光譜證明了激光輻照區(qū)引入了P型摻雜，并且可以通過(guò)控制激光輻照時(shí)間調(diào)控?fù)诫s程度。在P-P+結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光電流與摻雜程度相關(guān)，P型摻雜越重，光電流越大。隨后對(duì)結(jié)區(qū)產(chǎn)生光電流的機(jī)制進(jìn)行了仔細(xì)的分析，表明光熱電效應(yīng)主導(dǎo)了結(jié)區(qū)光電流的產(chǎn)生。
　　2.設(shè)計(jì)并制備了一種基于石墨烯-SiO2/Si結(jié)構(gòu)的位置靈敏探測(cè)器

4、。該探測(cè)器摒棄了常規(guī)位置靈敏探測(cè)器整體為PN結(jié)或肖特基結(jié)的結(jié)構(gòu)，巧妙的利用SiO2/Si界面態(tài)導(dǎo)致的能帶彎曲和界面處載流子的橫向傳輸實(shí)現(xiàn)了橫向光電效應(yīng)，并利用gating效應(yīng)在石墨烯器件引起光響應(yīng)。到達(dá)石墨烯下方的載流子數(shù)量取決于光照點(diǎn)到石墨烯溝道的距離，從而可以實(shí)現(xiàn)入射光的位置探測(cè)。由于石墨烯超高的載流子遷移率使該器件存在高達(dá)104的增益。增益的引入使該探測(cè)器可以探測(cè)nW級(jí)弱光的精確位置，而且響應(yīng)速度很快。這種界面增益效應(yīng)和Si工藝相

5、兼容，也可以適用于其他探測(cè)系統(tǒng)。
　　3.制備了石墨烯-Si結(jié)構(gòu)的無(wú)源位置靈敏探測(cè)器，石墨烯不僅可以作為光吸收層，還可以作為載流子的分離和傳輸層。石墨烯超高的遷移率使載流子可以超遠(yuǎn)傳輸，保證了該探測(cè)器較大的工作面積。傳輸距離越遠(yuǎn)，到達(dá)電極的載流子數(shù)量越少，通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)電極上的電壓輸出可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光照點(diǎn)位置的探測(cè)。位置靈敏特性研究表明該探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)nW級(jí)弱光的遠(yuǎn)距離(＞8mm)位置探測(cè)。此外，該器件具有很快的響應(yīng)速度，且非線(xiàn)性度只有

6、3％。紅外測(cè)量結(jié)果顯示該探測(cè)器可在1319nm和1550nm下工作，有效延伸了位置靈敏探測(cè)器的工作波長(zhǎng)。
　　4.制備了一種基于石墨烯的靜電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了快速，高靈敏靜電探測(cè)。該探測(cè)器利用SiO2/Si界面gating效應(yīng)，使靜電引起的Si中載流子的移動(dòng)分布在石墨烯溝道中進(jìn)行了放大。該探測(cè)器可以感應(yīng)～5V的靜電勢(shì)，響應(yīng)時(shí)間小于2μs，相比與常規(guī)探測(cè)器性能有大幅提升。該探測(cè)器也可以通過(guò)電學(xué)調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)靜電響應(yīng)的調(diào)制。這種非接觸式的