石墨烯3D包裹的Cu納米絲透明歐姆電極及其LED器件應(yīng)用研究.pdf

1、隨著平板電視、電子閱讀器、智能手機(jī)、觸摸屏等電子產(chǎn)品的普及，光電子器件在技術(shù)上日益成熟的同時，依然面臨著尚未解決的核心難題。電極作為光電子器件結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，一直以來都是備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，而傳統(tǒng)電極已經(jīng)出現(xiàn)了其在工藝和材料上的發(fā)展瓶頸，開發(fā)新的材料制作導(dǎo)電而又不擋光的透明電極成為了研究者們競相追逐的目標(biāo)。此外，襯底材料的不匹配導(dǎo)致的較差的外延層品質(zhì)尚未找到理想的解決方法，因此人們在襯底上生長三維的半導(dǎo)體納米柱結(jié)構(gòu)以制作三維的光電

2、子器件。本論文從石墨烯3D包裹的核殼結(jié)構(gòu)Cu納米絲、Cu@G納米絲網(wǎng)絡(luò)透明歐姆電極的LED、GaN納米柱陣列的MOCVD自催化合成三個方面進(jìn)行了研究，并取得了重要的進(jìn)展:
　　一、實(shí)現(xiàn)了石墨烯3D包裹的核殼結(jié)構(gòu)Cu納米絲的制作。采用液相法合成出擁有超高長徑比的Cu納米絲并利用壓印技術(shù)和真空退火技術(shù)制作了Cu納米絲透明電極，其光電性能良好。接著通過調(diào)節(jié)生長溫度氣體流量以及采用液態(tài)苯環(huán)碳源等方法，研究了石墨烯在銅箔上的低溫生長，在不同

3、溫度下(1000℃-400℃)成功地在Cu箔上生長出二維石墨烯。通過銅箔膠囊和石英磁力操縱桿裝置，解決了Cu納米絲在高溫下的熔化問題，并成功將石墨烯碳膜直接以3D形態(tài)緊密地包裹于Cu納米絲網(wǎng)絡(luò)，形成一種復(fù)合性的核殼結(jié)構(gòu)新材料。這種Cu@G納米絲透明電極從深紫外到近紅外（200～3000 nm）波段都具有平穩(wěn)的高透光率，方塊電阻達(dá)到33Ω/sq@95％，超過Cu納米絲性能(51Ω/sq@93％)，追平傳統(tǒng)ITO透明電極，并且在極端條件下仍

4、然具有強(qiáng)抗氧化性和電學(xué)穩(wěn)定性。這些都表明Cu@G納米絲透明電極在未來的光電子器件中將發(fā)揮其潛在優(yōu)勢。
　　二、實(shí)現(xiàn)了Cu@G納米絲網(wǎng)絡(luò)透明歐姆電極的完整LED制作，并成功點(diǎn)亮芯片。首先，利用自主研制的真空抽濾系統(tǒng)和壓印技術(shù)以及真空退火技術(shù)，成功獲得晶片級(2")大面積的Cu@G納米絲透明電極，并且實(shí)現(xiàn)了其在PET、硅膠等柔性襯底上的制作。繼而，研究了Cu納米絲和Cu@G納米絲電極分別與GaN基n、p型導(dǎo)電層的歐姆接觸特性，對APS

5、YS理論模擬的結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)，納米絲與GaN之間呈現(xiàn)點(diǎn)接觸模式，由于近似尖端放電遂穿效應(yīng)的作用，更易于形成高濃度電流注入而實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。最后，利用光刻技術(shù)和壓印技術(shù)完成了圖形化Cu@G納米絲透明電極的制作，并制成完整的LED芯片，其光電性能優(yōu)良，發(fā)出明亮藍(lán)光，具備較好的發(fā)光強(qiáng)度和透光性，證明了Cu@G納米絲透明電極在實(shí)際光電子器件上的強(qiáng)大應(yīng)用能力和開發(fā)潛力。
　　三、研究了GaN納米柱陣列的自金屬催化合成工藝和InN/GaN核殼

6、結(jié)構(gòu)納米柱的生長技術(shù)。首先，研究了GaN納米柱在MOCVD系統(tǒng)中連續(xù)生長模式、脈沖生長模式下的自金屬催化合成方法，通過Ⅷ源交疊的方法和縮短脈沖生長方式的脈沖占空比，來提高Ga原子的遷移率，促進(jìn)納米柱的縱向生長以及抑制發(fā)生在襯底上的雜散成核現(xiàn)象，最終在藍(lán)寶石襯底上成功生長出均勻的六方形態(tài)GaN納米柱陣列，其擁有較好的晶體質(zhì)量和光學(xué)特性，在紫外(330nm)和紅光(650 nm)同時出現(xiàn)的兩個尖銳的發(fā)光峰，為未來的雙色發(fā)光、探測器件提供了新

7、的材料基礎(chǔ)。其次，利用第一性原理模擬方法研究了GaN納米柱的非極性m面?zhèn)缺诘腎nN殼層生長動力學(xué)機(jī)制。計(jì)算結(jié)果表明，InN需要克服很高的結(jié)合能阻礙才能在GaN納米柱表面生長，在GaN側(cè)壁引入In浸潤層的方法能夠有效降低結(jié)合能勢壘，形成平整的In浸潤層。此外在In浸潤層氮化的過程，觀察到有趣的N原子反常遂穿效應(yīng)，N原子能夠在無其他外力作用下制造薄弱位并遂穿過In浸潤層形成InN殼層結(jié)構(gòu)，最終形成穩(wěn)定的InN/GaN核殼納米柱。對于在納米結(jié)