高性能二维过渡金属碲化物的可控制备及光电性能研究

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二维材料凭借其优异的光电性能、良好的机械特性,和超高的电子迁移率等特点,在电子学、光电子学等领域受到广泛关注。然而,大多数二维材料受其能带结构与环境稳定性差等影响,限制了其实际应用。因此,开发兼具优异光电性能和环境稳定性的新型二维材料仍然是一个重要的研究课题。二维过渡金属碲化物(ZnTe、CdZnTe)凭借其宽带隙、良好的环境稳定性以及优异的光电性能,在光电子领域展现出巨大的应用潜力。然而,由于本征非层状结构特点以及较强的共价键,二维ZnTe和CdZnTe的可控合成目前仍面临着巨大困难和挑战,这阻碍了二维ZnTe/CdZnTe的研究进展及实际应用。基于此研究背景,本论文以ZnTe和CdZnTe为研究对象,首先综述了其研究现状、制备方法。然后针对其制备难题,采用了物理气相沉积的制备策略,通过优化生长参数,改进制备工艺,成功实现二维ZnTe和CdZnTe纳米片可控生长,并对其形貌、晶体结构、环境稳定性、光电性能等进行了系统的分析研究。得出的结论及研究结果如下:1.具有高环境稳定性的二维ZnTe纳米片的气相制备及光电性能研究。通过改进气相制备法,采用空间限域物理气相沉积策略克服ZnTe非层状结构和强共价键作用,成功在云母片上制备出了具有较高晶体质量的二维超薄ZnTe纳米片。随着温度升高,ZnTe拉曼光谱纵光学声子振动模式会出现红移,其主要原因为晶格热膨胀产生的非谐振动。但受到ZnTe非层状闪锌矿结构与热淬火效应的影响,ZnTe的PL峰强度会明显降低,同时其PL峰位也会因为电子-声子的相互作用和热膨胀发生红移,经PL光谱计算出ZnTe的活化能要高于一般的二维材料。此外二维超薄ZnTe纳米片在95%湿度和90 K~420 K温度条件下表现出了优异的环境稳定性。通过第一性原理计算出ZnTe的带隙为2.1 e V,与微区吸收光谱所得到的实验值较为接近。同时由于其宽带隙,基于二维ZnTe纳米片的光电探测器显示了从可见光(vis)到近红外波段的宽光谱响应特性,在405 nm光照下,其响应度(R)可达18.3 A/W,比探测率(D*)为2.89×10~9 Jones。同时,其光电性能在自然环境中保存三个月后无衰退现象。二维超薄ZnTe纳米片表现出优异的环境稳定性与光电性能,展示了其在恶劣环境下的应用潜力。2.二维CdZnTe纳米片的气相制备及其高性能光电探测器研究。采用了物理气相沉积法,成功制备了非层状二维超薄CdZnTe纳米片。所得二维CdZnTe纳米片最薄为8.5nm,最大横向尺寸可达25μm以上。基于Raman光谱、透射电镜、X射线光电子能谱等表征证明了二维CdZnTe高晶体质量。随着厚度增加,CdZnTe纳米片的光吸收能力增强,导致拉曼峰强度增加。受CdZnTe非层状结构的影响,其分子间作用力也会随厚度增加而增大,导致其纵向光学声子振动峰(LO)出现。然而随着温度升高,CdZnTe晶格热膨胀导致分子间作用力减弱,其拉曼特征峰强度减弱。由于CdZnTe为直接带隙(1.53 e V),基于二维CdZnTe纳米片的光电探测器展现紫外到近红外范围内的宽光谱响应,其中对紫外光具有较强的光响应。最大光响应度(R)为80.6 A/W,外量子效率(EQE)为275%和比探测率(D*)分别为1.86×1010 Jones。二维CdZnTe纳米片优异的光电探测性能表明其在光电探测器领域具有很好的应用前景。本研究也为二维三元化合物的合成提供了一种新的策略。
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