二维二硒化钨范德瓦尔斯异质结光电探测器的研究

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自从2004年石墨烯的发现,激起了研究者们对二维材料的研究兴趣,越来越多的有关二维材料的成果出现,将二维材料的研究带到了新的高度。硒化钨(WSe2)是典型的过渡金属硫族化合物,体材料带隙约为1.2e V,而单层带隙约为1.65e V,这样的带隙依赖层数可调的特点,也使得应用更加广泛和灵活。同样窄带隙特点使得材料对可见到近红外波段有良好的吸收效果,更由于本身所拥有的较高的载流子迁移率,二维WSe2在可组装光电探测器方向的发展具有很大的潜力。本文的研究主要内容为基于二维材料的光电探测器,研究了二维材料的转移、构筑异质结、二维材料的表征。组装制备了WSe2异质结光电探测器和MXene肖特基光电探测器,对器件进行电学和光响应的性能测试,对测试的I-V、I-T曲线结果进行分析,使用响应度和比探测率等物理量表达器件光电探测的性能。并使用界面钝化和改善电极材料的优化手段对器件性能进行提升。根据实验结果,从理论层面阐述了器件内部载流子输运情况,为光电探测器性能优化提供理论依据。主要进行了以下两个工作的研究:(1)制备了WSe2/Ge异质结,并通过Al Ox钝化界面和使用优异光电性能材料MXene(Ti3C2Tx)作为电极的手段进行优化,制备出MXene/WSe2/Al Ox/Ge结构的光电探测器。制成的探测器有明显的光伏效应,具有自驱动能力。器件所表现出的光响应性能也十分优异,在波长为980nm光照下,器件的响应度、比探测率分别为1.1A/W和1.105×1012Jones,并且响应速度也十分迅速,上升/下降时间可以达到43μs/63μs。同时器件有着较宽的光谱响应范围,从400nm-3800nm都有明显的光电流产生。从可见光到中红外波长的光都有优秀的探测能力,说明了有效的器件优化对器件性能起着关键作用。(2)根据MXene材料的优异性能,根据其特性,通过简单地将Ti3C2Tx MXene溶液滴在预制过带窗口绝缘层的Ga As衬底上,制备出了高质量的Ti3C2Tx/Ga As肖特基结。之后对组装好的器件进行了温度相关的电学测试,测试结果表明器件内部载流子输运情况与温度有着很密切的关联。后续光电性能测试表明所制备出的Ti3C2Tx/Ga As肖特基结光电探测器有着优异的光伏响应和稳定的自驱动能力,并且器件在宽波段范围内有着高灵敏度的表现,响应度可以达到1.46A/W,比探测率达到1.23×1013Jones。值得注意的是,光电探测器能够感应高达980 nm的红外光信号,该信号超过了Ga As的吸收边缘(874 nm),这是Ti3C2Tx MXene中产生热电子造成的。器件的制作过程虽然简单,但却有着优异的性能表现。这说明Ti3C2Tx/Ga As肖特基结光电探测器在高性能宽带、自驱动光电探测应用中有着巨大的发展潜力。
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