石墨烯结构调控及其输运与光电性能研究

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石墨烯是由单层碳原子组成的六边形蜂窝状的二维晶体。具有超高的载流子迁移率、独特的线性色散关系、良好的机械柔韧性以及宽光谱吸收能力等一系列优异性能。这些优异的物性使其在新型场效应器件、光电探测器、传感器和透明导电薄膜等领域具有巨大的应用潜力。  然而,石墨烯的图形化和小型化是实现应用的前提,石墨烯纳米带作为石墨烯图形化和小型化的结合点在最近几年受到广泛研究。目前利用光刻结合氧等离子体刻蚀的方法制备出的石墨烯纳米带边缘是无序的结构,这种无序的边缘结构会增强电子输运过程中的边缘散射概率,使电阻率变大。因此,制备边缘齐整的石墨烯纳米带显得十分重要。本论文中,我们先用溅射金属锌和盐酸反应处理图形化的石墨烯,然后利用氢气等离子体刻蚀来调控石墨烯纳米带的边缘结构,由于氢气等离子体具有各向异性刻蚀石墨烯的特点,从而能够用来制备边缘齐整的石墨烯纳米带。测试结果表明制备出的石墨烯纳米带是以锯齿型为主导的边缘结构,载流子迁移率保持在1332.4 cm2 v-1 s-1左右,电阻率低至0.7kΩ。  此外,由于石墨烯没有光增益机制,导致石墨烯光电探测器响应率比较低。而过渡金属硫化物作为一种有一定带隙的光活性材料,可以弥补石墨烯的不足。构筑石墨烯和过渡金属硫化物的范德瓦尔斯异质结可以使两种材料优势互补,然而常见的过渡金属硫化物带隙比较大,它们的光探测范围一般都在可见光到近红外波段,对远红外波段(8-14 μm)的探测能力很弱。要实现远红外波段的探测必须找到一种窄带隙的材料,因此,我们利用热辅助转化法制备了一种新的窄带隙过渡金属硫化物—二硒化铂。制作出了基于石墨烯和二硒化铂的垂直堆垛范德瓦尔斯异质结。在室温常压环境下对器件进行了一系列光电测试,结果表明,这种器件在很宽的波段范围内(从可见光(637 nm)到远红外(10.6 μm)波段)都有良好的响应。可见光下其响应率达到了400 mA W-1,外部量子效率达到70%。远红外波段的响应率也达到了300 mA W-1。石墨烯与二硒化铂垂直堆垛构筑的范德瓦尔斯异质结具有优异的探测性能,是因为石墨烯增大了光生电子的收集效率,使更多的光生电子形成光电流。其光响应机理符合光栅效应(Photogating effect)的条件。另外,我们还改变二硒化铂的厚度,比较了不同厚度的器件的光电响应,发现材料越薄的器件光响应率越高,这是因为越薄的材料具有更强的束缚激子,从而能够增强光吸收效率。
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