石墨烯与低维半导体材料复合光电探测的研究

电磁波在人们的生活中扮演着重要的角色,五彩缤纷的颜色是可见光被肉眼探测,超快的信总传递是无线电波被终端接收,检查骨伤的照片是X射线在胶片上的成像。同时我们也可以意识到,要想充分研究和利用电磁波,其对应的探测器也是不可或缺的。传统的光电探测器大都是基于半导体材料,利用光电效应等将光信号转化成电学信号,然后使用仪表进行测量。而石墨烯的出现,大大扩大了光电探测器的范围。

石墨烯是人类历史上发现的第一种严格意义上的二维材料,仅由一层碳原子组成,也是世界上最薄的材料。相比于传统材料,石墨烯拥有众多优点,如超高的载流子迁移率,极低的载流子浓度,超强的机械性能,极大的比表面积以及碳材料特有的容易在表面修饰的特性等等,因此基于石墨烯的光电探测器的研究也层出不穷。特别是化学气相沉积法在金属表面制备大面积单层高质量石墨烯的发现,使得石墨烯光电探测器与应用仅差一步之遥。如何合理的利用石墨烯的优秀性能,与其他材料复合,制备具有潜在应用价值的光电探测器,成为了众多科研工作者所研究的课题。

基于此,本论文的具体研究内容如下:1,制备了基于CVD石墨烯与参量复合氧化物量子功能材料的可见光到紫外光的一个宽谱光电探测器。本实验中首次将这种层数,组分可调节的高层数类钙钛矿结构与石墨烯结合,并利用衬底与材料之间的内建电场作用,对材料本身进行永久极化,最后光生电子在铁电极化的辅助下转移到石墨烯中,进而改变石墨烯的电阻态。首次将传统的双层结构探测器转化为三层结构,与对照试验相比,这种三层结构将光电探测信号提高了 200倍,并且性能更加稳定。2,制备了基于CVD石墨烯与锐钛矿单晶氧化钛纳米片阵列的紫外光电探测器。

作为传统的宽禁带半导体材料,氧化钛本身具有很好紫外吸收,并且锐钛矿也被证实光催化效果最好。本章实验中首次将锐钛矿的高米勒指数的单晶氧化钛纳米结构与石墨烯复合,详细的研究了石墨烯与锐钛矿氧化钛界面的电学输运性质,并且从理论与实验两个方向证明了这种相互支撑的片状结构具有更好的紫外光吸收特性,更适合用来于石墨烯复合制备紫外光电探测器。3,我们提出了一种非对称的结构,基于外加电场驱动的方法,将碳量子点排列在石墨烯电极阵列之

间,最终在石墨烯电极之间形成一个浓度梯度。实验中我们用多种方法验证了这种非对称的结构,并研究了其电学性能。

该器件具有非常好的整流效应,开关比可达104,并且受温度电场等影响非常小,并且对可见光具有很好的敏感性,光响应可达1500A/W,并且可以响应2500 Hz的光信号。本章实验具有非常重要的意义,不仅制备了一个性能优异的多功能器件,并且提供了一种简单的组装方法,一个非对称的结构,以及结构调控性能的一种思路。最后为工作总结与展望,总结前三章的工作,并分别对其后续工作进行展望。