基于表面等离激元纳米结构增强的二维材料红外探测器件研究

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自从石墨烯被发现以来,二维材料因其多种优异的光学和电学特性而备受科学界关注,并被用于光电探测器的研究中。然而,二维材料的超薄厚度使其对于光的吸收较弱,因而制约了其探测性能的进一步提高。表面等离激元可以打破衍射极限的限制,具有纳米聚焦的特点,为光电探测器的性能提升提供了全新的方法。本文的研究目的是将可控生长得到的金属纳米颗粒通过可控自组装的方法转移至MoS2探测器上,以提升器件对红外波段光的吸收,从而提高其响应度等性能参数。本文的具体研究工作如下:1.研究了MoS2红外光电探测器的探测性能和响应机制。首先,实验制备了MoS2探测器,测试计算了器件的各项性能参数。对于波长808 nm的入射光,MoS2光电探测器的响应度可达1.55 A/W,比探测率可达1.1×1010Jones;对于波长980 nm的入射光,响应度可达0.53 A/W,比探测率可达3.39×10~9Jones。通过对实验结果的分析,808 nm入射光下MoS2探测器主要基于光诱导栅压效应,遵循正响应机制;980 nm入射光下MoS2探测器基于辐射热效应,遵循负响应机制。结合上述两种探测机制可实现响应波长范围的拓展。此外,研究了MoS2厚度对探测性能的影响,结果表明厚度大的探测器具有更高的响应度,但比探测率较低。2.讨论了等离激元金属纳米结构的可控制备。通过控制所用溶液的数量及比例,完成了形貌尺寸可控的银纳米板的制备,实现了等离激元谐振峰在可见至近红外波段(480 nm-827 nm)范围内的调控。进一步研究了精确调整溶液配比,完成了等离激元吸收峰的精确调控,为后续用于增强探测器特定波长的性能提供了基础。3.研究了银纳米板结构对于MoS2探测器性能的影响。首先,通过自组装的方法将银纳米结构转移至MoS2探测器表面,制备了等离激元纳米结构-MoS2探测器。然后,测试并对比了引入银纳米板结构前后探测器性能。结果表明:银纳米结构增大了MoS2对于光的吸收,明显提升了探测器性能。组装了银纳米板结构后响应度由1.55 A/W增大至4.59 A/W,增幅可达1.96倍,比探测率从9.9×10~9Jones增至1.06×1010Jones。此外,研究了不同分布密度的银纳米板和不同尺寸银纳米板对于MoS2探测器增强效果的影响,结果表明:具有更大分布密度的银纳米板对于MoS2探测器的性能提升更突出,谐振峰位置与入射光波长更接近的银纳米板对于MoS2探测器的性能提升更突出。
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