二维材料及其组装器件上的声电效应和声电流在气体、光测量中的应用

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声表面波(SAW)技术已经在移动通讯领域中发挥了重要作用,基于声表面波的高频器件遍及日常消费和军用系统中。随着新材料特别是二维材料的兴起,使得SAW应用又出现一个新的研究高潮,其中SAW在二维电子系统引起的声子-电子耦合作用成为新兴研究方向之一。SAW作为一种输运和精确控制电荷运动的有效方式,它的周期性局域电场能够捕获和输运传播方向上的电荷产生声电流,对度量学和量子信息处理的发展具有重要意义。依靠不断涌现的新型二维材料,以往针对Ga As二维电子气(2DEG)的声电现象研究逐渐扩展至二维材料中。本论文通过研究二维材料及其纳米器件上的声电现象和声电流,推动了对声子-电子耦合过程的深入理解,同时对声电流的应用和相关器件研发也具有重要意义。本论文对极性气体掺杂下的石墨烯上声电流气敏特性进行了研究;另外,对黑磷上SAW反射引发的反常声电现象进行了观测和讨论;最后,研究了SAW增强黑磷/二硫化钼异质结二极管光电特性的机制。主要研究内容如下:1.对气体(NO2/NH3)掺杂后的石墨烯中声电流特性进行了研究。研究了气体轻掺杂下的声电流和直流电流的响应规律,讨论了两种类型电流随气体浓度变化表现出相反响应的内在机理。研究了NH3重掺杂条件下的石墨烯声电流的动态响应规律,根据Weinreich模型对其行为进行了分析。最后依据石墨烯声电流对不同程度掺杂具有差别响应的特点,展示了石墨烯声电流实现了气体传感的应用。2.研究了黑磷中的反常声电流。首先介绍了由石墨烯、氮化硼和黑磷三种二维材料依靠范德华力组装成而成的纳米器件结构、组装过程和电学特性。接着发现黑磷中产生反常声电流来自于SAW的部分反射,讨论了反常声电流强度与黑磷载流子浓度和声表面波功率的关系。接着给出了反常声电流与载流子类型和偏压的关系。最后证明了反常声电流的方向与测试电极在黑磷上的位置有关,指出黑磷反常声电流是驻波形成的电场引起的。3.研究了SAW增强后的BP/Mo S2异质结二极管的光电传感性能,并给出了实现其光电响应性能增强的机理。主要研究了SAW作用前后的异质结光响应度,SAW作用使异质结光响应度提升3个数量级。另外讨论了其开关特性、输入功率和光强与光响应的关系。最后阐述了SAW起到了降低电子-空穴复合率的作用,使得光照下异质结的光电响应极大地得到增强。
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