二维WS2光电探测器的制备与性能调控

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二硫化钨(WS2)因其优异的光电性能近年来被研究人员所关注。其拥有良好的延展性、柔软透明的特性和高的载流子迁移率。同时具有带隙,能提供较低的截止电流,较高的开关比。WS2晶体薄膜在场效应晶体管、光电探测器、气敏传感器等领域具有广阔的发展前景。但有关WS2晶体薄膜的可控制备与器件构建目前仍处于起步阶段。本文研究化学气相沉积法(CVD)制备单层WS2晶体薄膜的工艺,并且研究了不同转移方法制备基于SiO2/Si及PI衬底WS2光电探测器的制备工艺,研究了 WS2光电探测器的光电特性以及低温退火及硫化处理、氧等离子处理及旋涂g-C3N4对WS2光电探测器性能的影响。取得以下主要研究结果:(1)揭示了生长工艺对WS2晶体薄膜的影响规律。反应温度、S引入时间、气体流速、生长衬底与钨源间距进行详细研究,得出最佳制备条件。反应温度为910℃,S单质最高加热温度250℃,S引入时间为前3 min,保温时间为15min,前驱体WO3和S用量分别为0.02 g、0.8 g,气体流速为90 sccm,生长衬底为蓝宝石衬底,生长衬底与钨源间距为11 cm。在该条件下,制备出的高质量且形貌良好的WS2晶体薄膜。(2)研究了基于SiO2/Si及PI衬底单层WS2晶体薄膜光电探测器的制备工艺,阐明了光照强度、外场偏压以及波长对器件光电性能的影响规律。发现基于SiO2/Si及PI衬底WS2光电探测器随着光照强度的增加,器件的光电性能降低;WS2光电探测器随着偏压的增加,器件的光电性能增加;WS2光电探测器随着入射光波长的增加,器件的光电性能降低。其中基于SiO2/Si衬底WS2光电探测器光响应度最高为0.307 A/W,上升及衰减时间分别为58 ms和446 ms。基于PI衬底WS2光电探测器光响应度最高为0.026 A/W,上升及衰减时间分别为44 ms和37 ms。(3)发现低温退火及硫化处理、氧等离子处理、g-C3N4处理可提高WS2光电探测器的光电性能。退火及硫化处理可以提高器件的光电性能,最佳退火温度为150℃,最佳硫化时间为5min。氧等离子处理可以大幅度提高器件的光电性能,经处理后,光响应度最高可达52.4 A/W。旋涂g-C3N4对近紫外波段器件的光电性能提升明显。
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