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。基于石墨烯的探測器、傳感器等各種高性能器件也被不斷地研究并報導(dǎo)。然而，石墨烯較低的光吸收率使其在光電探測器中的應(yīng)用受到了一定程度的限制。基于此，研究者開發(fā)了多種提高光吸收或載流子分離效率的方法用來改善石墨烯光電探測器的性能，如采用非對稱電極、PN結(jié)、光學(xué)微腔、硅波導(dǎo)、等離激元等。此外，通過復(fù)合量子點

2、、制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方法在探測器中引入增益機制，也可以極大地提高了探測器的性能。盡管如此，石墨烯光電探測器在成本、制備技術(shù)、性能穩(wěn)定性等方面仍需要進一步改善。為了加快石墨烯的應(yīng)用進程，還可以開發(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，生物探測器，PH傳感器，重金屬探測器等。新型探測器的出現(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)的探測傳感領(lǐng)域出現(xiàn)了新的發(fā)展機遇。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，并且可以通過控制激光輻照時間調(diào)控摻雜程度。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。隨后對結(jié)區(qū)產(chǎn)生光電流的機制進行了仔細的分析，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)計并制備了一種基于石墨烯-SiO2/Si結(jié)構(gòu)的位置靈敏探測器

4、。該探測器摒棄了常規(guī)位置靈敏探測器整體為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)。到達石墨烯下方的載流子數(shù)量取決于光照點到石墨烯溝道的距離，從而可以實現(xiàn)入射光的位置探測。由于石墨烯超高的載流子遷移率使該器件存在高達104的增益。增益的引入使該探測器可以探測nW級弱光的精確位置，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系統(tǒng)。
　　3.制備了石墨烯-Si結(jié)構(gòu)的無源位置靈敏探測器，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傳輸，保證了該探測器較大的工作面積。傳輸距離越遠，到達電極的載流子數(shù)量越少，通過測量對應(yīng)電極上的電壓輸出可以實現(xiàn)對光照點位置的探測。位置靈敏特性研究表明該探測器可以實現(xiàn)nW級弱光的遠距離(＞8mm)位置探測。此外，該器件具有很快的響應(yīng)速度，且非線性度只有

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