范德华异质结紫外光电探测器的设计与性能研究.doc

范德华异质结紫外光电探测器的设计与性能研究自石墨烯被发现以来,具有原子层级厚度,层间范德华力堆叠和表面无化学悬挂键等特性的二维层状纳米材料展现出一系列优异的光电性质,从而受到研究人员的高度重视,并被广泛应用于各类电子和光电子器件中。在范德华力结合的层状材料中,结构和电子多样性的出现为基础科学研究和应用器件设计开辟了新的途径,为探索新奇的物理现象和内在机制提供了一个理想的研究平台。在种类繁多的二维材料体系中,二维过渡金属硫属化物（TMDs）由于其良好的化学稳定性、高载流子迁移率和层数依赖的可调带隙,成为制备光电子器件的理想材料。其中,二硫化钼（MoS₂）是目前TMDs中研究最为广泛的二维材料,当其层数由块体减少至单层时,MoS₂由1.2eV的间接带隙半导体转变为1.9eV直接带隙半导体。另外,作为新发现的贵金属硫化物,二硒化铂（PtSe₂）具有更宽的可调带隙,其单层带隙为1.2eV,双层带隙为0.21eV,块体材料为半金属零带隙。这些优异的光电特性为设计构建高性能光电探测器提供了良好的材料基础。目前基于不同结构和探测机理的二维纳米光电探测器已经被成功制备,器件展现出良好的探测性能,并已经实现了从紫外光,可见光和红外光到太赫兹体系的探测。尽管拥有上述优点,二维层状纳米材料及其光电探测器件也存在一些不足之处。例如,二维材料拥有较低的光学吸收系数;存在显著的激子效应,极大阻止了光生电子-空穴对的分离。此外,一些二维材料在大面积制备方面仍然存在挑战。设计构建二维/三维（2D/3D）混合维度范德华异质结器件是解决上述问题的有效途径。这是因为:二维纳米材料的光学吸收和光谱选择性受到其超薄性质和材料可用性的限制,而3D材料的选择范围较广,能提高异质结器件的的光谱选择性,同时获得更强的器件功能;2D材料表面无悬挂键,与3D材料通过范德华力结合,摆脱了晶格匹配的限制更容易形成异质结结构。因此,构建2D/3D混合维度范德华异质结通常能够实现更强的光吸收和光生载流子的分离,从而实现较高的响应度和较快的响应速度,制备出高性能光电探测器。紫外光电探测器在通信、化学分析、军事预警等领域具有重要的应用价值,因此研究人员一直致力于探索制备高性能紫外光电探测器。宽禁带半导体材料不仅在紫外光波段有很高的吸收,而且对可见光和红外光有很好的屏蔽,逐渐成为制备紫外光电探测器件的主体材料。其中,作为第三代半导体材料,氮化镓（GaN）的禁带宽度为3.4eV,具有良好的耐辐射性、高热导率和化学稳定性,是制备紫外光电探测器的热点材料之一。同时,为了进一步实现日盲紫外的探测,就必须寻找具有更宽带隙的半导体材料。β相氧化镓（β-Ga₂O₃）的禁带宽度为4.9eV,而且具有较大的光吸收系数、高的化学稳定性和热稳定性,是构建日盲探测器的理想材料。综上所述,本论文分别采用热分解法和磁控溅射-硒化法制备出大面积的二维MoS₂和PtSe₂薄膜,并与三维GaN、β-Ga₂O₃分别构建了混合维度范德华异质结紫外光电探测器,同时对其光电探测性能进行了系统研究,主要研究成果如下:一、利用热分解法在CVD管式炉中成功制备了大面积的二维MoS₂薄膜,并通过改变旋涂参数成功调控了MoS₂薄膜的层数。通过XRD、Raman、AFM、XPS等仪器设备对所制备的薄膜进行了形貌、结构和成分等表征,结果表明成功制备出面积大、质量高、层数可控的二维MoS₂薄膜。二、采用磁控溅射-硒化法,成功制备了大面积的二维PtSe₂薄膜,通过控制溅射Pt薄膜的厚度调控PtSe₂层数。在GaN衬底上原位生长PtSe₂薄膜从而构建PtSe₂/GaN异质结。通过XRD、Raman、AFM、XPS、TEM对所制备的薄膜进行了表征,结果表明:我们制备出了大面积、高质量、层数可控的二维PtSe₂薄膜。三、设计构建了一种基于MoS₂/GaN异质结的紫外光电探测器。该器件在紫外光照下具有显著的光伏效应,因此可以实现自驱动紫外光电探测。该探测器在265nm、功率为2.4mW/cm²的紫外光照射下,可获得高达10⁵的电流开关比,当光功率降到2μW/cm²时,电流开关比也能达到10³。此外,其响应度和比探测率分别为187mA/W和2.34×10¹33Jon