基于量子點-低維納米碳材料的光調制薄膜晶體管器件的研究.pdf

1、光電探測已經被廣泛應用于遙感、制導、紅外熱成像、光譜測量和工業(yè)自動控制等領域，對推動經濟發(fā)展和維護國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。目前商用化的光電探測器大都采用分子束外延或者金屬有機化合物氣相沉積等方法生長光電轉換靶面，同時還需要采用大量的半導體微加工工藝制備讀出電路。隨著信息技術的發(fā)展，人們對增大光電探測器的探測陣列尺寸以及基于柔性襯底的探測器提出了迫切需求。但是常規(guī)的光電探測器較高的制備溫度和昂貴的制備工藝嚴重制約了探測陣列的有效擴展以

2、及在塑料或者聚合物等柔性襯底上制備光電探測單元。
　　由于很多納米光電轉換材料具有效率高、響應速度快等特點，因此基于納米材料和納米結構的光電探測器件已經成為目前國內外的研究熱點。另外與傳統(tǒng)的光電二極管結構相比較，光調制晶體管具有電流自放大功能，可以獲得更好地光電響應特性。針對常規(guī)光電探測器件制備溫度高和半導體微加工工藝復雜的關鍵問題，本論文探索采用溶液法合成半導體量子點以及低維納米碳材料并在室溫環(huán)境下制備的光電探測單元;將光電探測

3、單元與高性能薄膜晶體管(Thin film Transistor，TFT)有機結合，并作為光電探測器的基本探測單元，同時將TFT構成光電探測信號的讀出電路。本論文的研究工作為發(fā)展柔性、大面積大尺寸探測陣列的光電探測器探索了新的技術道路。
　　本論文在量子點與低維納米碳材料的制備、光調制TFT的器件物理模型，以及基于TFT的光電探測單元設計和制備等方面開展了創(chuàng)新性研究。本文設計完成的研究工作與取得的科學成果如下:
　　1.將硒

4、化鎘(CdSe)量子點引入常規(guī)的銦鎵氧化鋅（Indium Gadium Zinc oxide，IGZO）TFT，提高光電轉換性能，初步設計和驗證光調制TFT。
　　研究結果表明在微光條件下(450nm，40μW/cm2)摻雜量子點后的復合薄膜光調制TFT比單純的IGZO TFT光電響應度放大了近1000倍，同時將探測的波長范圍擴展了一倍。從研究結果也發(fā)現，由于量子點產生光生載流子向半導體溝道注入速率低，因此在TFT中直接引入半導體

5、量子點，其構成的光調制TFT探測速度較慢。該成果發(fā)表于Applied Physics Letters,104(11), p.113501,2014。
　　2.采用高電子遷移率的低維納米碳材料，克服量子點引入導致的探測速度較慢的缺點。
　　為了克服直接將量子點應用于光電探測器時，電子遷移率低、探測速度慢等缺點，本論文提出引入以石墨烯為代表的高電子遷移率低維納米碳材料。其優(yōu)異的電子輸運性能與量子點材料靈活可調的光電特性形成協同效

6、應。本文以肖特基型光電二極管為研究對象，通過實驗研究發(fā)現:(1).量子點的光激發(fā)載流子能夠在外偏壓條件下高效地轉移至石墨烯，受益于石墨烯的高電子遷移率，肖特基光電二極管的光電響應速度得以較大提高。(2).由于石墨烯的透光率高達98％以上，所以石墨烯的引入沒有造成入射光的明顯衰減。反而由于石墨烯優(yōu)異的電子輸運特性，整個器件的光電轉換效率有所提高。增強了器件中載流子的遷移效率以及器件的光電轉換效率。(3).論文采用旋涂和磁控濺射等方法，在室

7、溫環(huán)境下沉積量子點光電轉換材料、氧化還原石墨烯分散液(ReducedGraphene Oxide，RGO)和單層石墨烯電極等低維碳納米材料，在塑料襯底上制備了肖特基光電二極管。該成果發(fā)表于ACS applied material interface，7(4)，p.2452-58，2015。
　　3.考慮量子點光電轉換單元的適配，設計具有優(yōu)異電學性能的石墨烯納米網格(Graphene Nanomesh，GNM)晶體管，為研發(fā)高性能光

8、調制TFT奠定電路器件基礎。
　　基于低維納米碳材料的晶體管器件是適配量子點材料，研發(fā)制備高性能光調制晶體管重要的電路器件基礎。通常，石墨烯晶體管由于零帶隙的能帶結構，造成極小的開關比，較大的反向電流等缺陷。本文設計了新型GNM薄膜，利用納米網格的量子限域效應有效打開石墨烯的帶隙，加工制備出GNM薄膜晶體管(GNM TFT)器件性能測試結果表明，該GNM TFT器件在保證電子遷移率（約400 cm2V-1S-1）的前提下，將開關比

9、提高到30，與常規(guī)石墨烯晶體管相比較，開關比提高20倍以上。此外，晶體管的反向關態(tài)電流降低至100 nA，使得GNM TFT初步具備了應用于光調制晶體管的能力。
　　4.利用表面改性的方法，設計量子點與GNM之間的電荷傳輸通道，制備出高性能量子點/GNM光調制TFT。
　　前述研究結果表明，量子點與半導體溝道間的載流子轉移效率與速率是影響光調制TFT器件光電轉換效率，光電響應速度等性能的重要因素。因此本論文建立了基于不同電荷

10、傳輸結構的載流子傳輸模型，研究了量子點與GNM界面的載流子傳輸的物理機制，設計并構建量子點與GNM之間的電荷傳輸通道，有效提高量子點/GNM光調制TFT器件的性能。本論文制備了光調制TFT原型器件，光電轉換測試結果證明了量子點中的光激發(fā)載流子能夠在柵極電壓產生的內嵌電場作用下發(fā)生隧穿，高效傳輸至GNM溝道使量子點/GNM光調制TFT的光電流開關比達到了9.1，與已報道的其他量子點/石墨烯光調制晶體管器件相比提高近10倍。在此基礎上，該器