二硫化钼薄膜的大尺寸生长及等离激元效应光电研究

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二硫化钼(MoS2)具有纳米级厚度及优异的电学和光电性能,为薄沟道晶体管提供了很好的选择。目前,MoS2大规模应用面临的最大挑战之一是如何获得高质量、大面积、均匀的单晶MoS2薄膜;而且单晶MoS2薄膜的带隙为1.8 e V,限制了它在近红外波段的光吸收。为此,本文提出了“面对面”限域空间CVD法,实现了厘米级单层,双层以及多层MoS2薄膜的生长;另一方面,提出将氧化钨(WO3)颗粒集成到MoS2薄膜中,然后对其进行等离子体处理,从而提高WOx/MoS2复合结构光电器件的光响应时间。本论文的主要内容如下。1.提出了“面对面”限域空间CVD法,在Si O2/Si衬底上实现厘米级MoS2薄膜生长,并且层数可控,可生长出1层、2层、3层以及多层MoS2薄膜。限域空间降低了前驱体的浓度和流速,提供给前驱体一个相对稳定的环境,而且Mo O3粉末源和衬底之间以“面对面”放置,使得粉末与衬底之间具有更大的接触面积,进而可以在衬底上生长更大面积的MoS2薄膜。2.使用氢气(H2)和氮气(N2)对WO3颗粒膜进行等离子体处理使其变为亚氧化物WOx(x<3),提高并且拓展了其在近红外波段的光吸收,之后将其集成到MoS2薄膜上,制备了WOx/MoS2(x<3)复合结构光电器件。通过调控等离子体的射频功率、处理时间以及WO3颗粒膜的蒸镀时间,利用紫外-可见分光光度计证明了WOx颗粒膜在可见-近红外波段的光吸收显著增强。其中H2处理效果最明显,H2处理后形成的WOx颗粒膜在1100 nm处的光吸收比原始样品的光吸收增强~70倍。WOx/MoS2颗粒膜结构光电器件得益于局域表面等离激元共振,在447 nm、520 nm以及637 nm处的光响应速度得到很大的提升,H2处理后构筑的WOx/MoS2颗粒膜结构光电器件上升时间为15 ms(原始为52 ms),下降时间为11 ms(原始为154 ms)。3.通过高温热退火的自组装方法,将WO3颗粒膜转化成WO3纳米柱,再将WO3纳米柱转化成WOx(x<3)纳米柱。同样地,WOx纳米柱也能引发局域表面等离激元共振,等离激元效应增强了WOx在400 nm-1100 nm之间的光吸收。H2处理后的WOx纳米柱在1100 nm处的光吸收比原始样品增强~95倍,进一步提升了WOx在近红外波段的光吸收。将此WOx纳米柱集成到MoS2薄膜,制备光电器件。经过H2处理的WOx/MoS2纳米柱结构光电器件在637 nm激光辐照下的光响应上升时间为16 ms,下降时间为8ms,极大地提升了器件的光响应时间。
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