【摘 要】
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二维层状过渡金属硫属化合物（TMDs）具有可调、多样的电子能级结构、高的载流子迁移率以及大的光吸收系数等优点,目前被广泛应用于光电探测器领域。然而,目前二维层状TMDs材料仍然存在掺杂困难、光电转换效率低和吸收光谱受限等科学问题,使得目前基于二维层状TMDs材料光电探测器的响应速度慢、比探测率低以及红外响应性能差,最终限制了其在光通讯、成像、夜视等光探测领域的应用。同时,随着功能性柔性电子学的飞速
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二维层状过渡金属硫属化合物（TMDs）具有可调、多样的电子能级结构、高的载流子迁移率以及大的光吸收系数等优点,目前被广泛应用于光电探测器领域。然而,目前二维层状TMDs材料仍然存在掺杂困难、光电转换效率低和吸收光谱受限等科学问题,使得目前基于二维层状TMDs材料光电探测器的响应速度慢、比探测率低以及红外响应性能差,最终限制了其在光通讯、成像、夜视等光探测领域的应用。同时,随着功能性柔性电子学的飞速发展,高性能透明柔性光电探测器也有待进一步探索。针对以上科学问题,本论文重点开展了以下研究:1.基于石墨烯/二硒化钼/硅（Gr/MoSe2/Si）异质结的宽光谱超快响应光电探测器该工作利用磁控溅射技术在p-Si衬底上沉积具有独特垂直站立层状结构的n-MoSe2薄膜,并结合热退火处理方法,制备了高质量p-n异质结,最终实现了以石墨烯为透明电极的高性能Gr/MoSe2/Si异质结光电探测器的构筑。该光电探测器具有如下优势:（ⅰ）强的内建电场有效促进了光生载流子的分离;（ⅱ）具有垂直站立层状结构的MoSe2薄膜为光生载流子的纵向传输提供了快速通道;（ⅲ）石墨烯透明电极显著提升了载流子的收集效率。最终,Gr/MoSe2/Si异质结光电探测器呈现出约270ns的超快响应速度,并具备对1MHz高频光脉冲信号进行精确识别和传感的能力,较目前基于MoSe2或MoS2材料制备的光电探测器有一定的提高。此外,由于MoSe2薄膜具有相对较窄的能带结构,Gr/MoSe2/Si异质结光电探测器实现了对紫外-可见-近红外（365-1310nm）的超宽光谱响应,突破了传统硅基光电器件的光谱响应极限。器件的响应度和比探测率分别达到了0.27AW-1和7.13×1010 Jones的优异水平。该工作为新型二维层状材料和传统半导体的高质量p-n异质结的构筑及其高性能光电探测器的应用提供了创新思路。2.基于共形二硫化钼/氧化铝/硅纳米线阵列（MoS2/Al2O3/SiNWs）异质结的高性能近红外弱光探测器该工作利用金属辅助化学刻蚀技术制备了长约600nm的垂直站立硅纳米线阵列,并以此为衬底,采用原子层沉积技术和磁控溅射技术分别制备了具有良好包覆结构的Al2O3界面钝化薄层和MoS2光敏薄膜,实现了共形MoS2/Al2O3/SiNWs异质结的构筑。由于共形陷光结构设计以及界面工程、能带工程调控,共形MoS2/Al2O3/SiNWs异质结光电探测器呈现出超宽的响应光谱范围（365-1550nm）、超低的噪声电流（1.1fAHz-1/2）以及超高的比探测率（1013-1014Jones）,并在自驱动模式下实现了对近红外波段的弱光识别和探测。器件在808nm近红外光照射下可分辨100pW的弱光,在1310/1550nm光通讯波段可探测的光强也低至1nW,和文献报道的基于二维层状材料的光电探测器相比,近红外弱光探测性能有了较大的突破。该工作为构筑低成本、高性能弱光红外探测器提供了新的器件结构。3.基于镂空单晶硅网格的自支撑、自驱动、透明柔性光电探测器该工作首先通过湿法碱刻蚀方法制备了柔性薄硅,随后结合光刻和反应离子干法刻蚀技术对其进行镂空处理,最终制备出具备透明、柔性、自支撑的镂空单晶硅网格。通过对镂空结构参数的设计和调控,硅网格实现了对全光谱（紫外-可见-红外）的高透光,并在可见光波段的最高透过率达到了96%。基于镂空单晶硅网格,通过构筑共形的Au-Ag非对称电极,首次实现了自支撑、自驱动的透明柔性光电探测器。器件在808nm近红外光照射下表现出高的响应度（0.11AW-1）、高的比探测率（5.5×1012Jones）以及快的响应速度（29μs）,与目前已报道的透明柔性光电探测器相比有了明显的提高。此外,自支撑、自驱动以及全光谱透光的特性使得该器件容易与其它光学模块进行集成,例如与商用紫外或红外光电探测器结合构筑多波段光探测和识别系统。该工作为构筑二维层状TMDs材料/硅异质结透明柔性光电探测器奠定了材料基础,相关研究将促进柔性集成器件的发展和应用。
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