低维锑硫族化合物及异质结的原位合成与光电特性研究

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随着科学技术的发展和人民生活水平日益的提高,小型化、低功耗与易于携带的产品成为人们不断追求的目标。低维的纳米材料正好提供了制造具有这些特点产品的基础条件。因此,高性能低维纳米材料的可控制备、性质及应用的研究是实现这一目标的根本途径。V-VI族二元化合物硒化锑(Sb2Se3)是带隙为1.11.3 eV的p型半导体材料,且属于范德瓦耳斯晶体,同时对可见光表现出高的吸收系数(>105 cm-1),以上这些性质使得一维Sb2Se3纳米线具有优异的光电性能。2004年,二维纳米材料石墨烯首次被剥离出来,且表现出优异的电学、光学、热学以及柔性等性质。但是石墨烯本身不具有带隙,因此限制了它在光电领域的应用。这一缺点推动新的二维材料不断地被剥离或者直接生长出来,最典型的是合成出了过渡金属硫族化合物(TMDs),如层状结构的二硫化钼(MoS2)、二硫化物(WS2)。因为WS2的带隙位于1.32.1 eV(随层数的变化而变化)之间,所以它是一种带隙适中的半导体材料。更重要的是,单层WS2是直接带隙半导体,这些性质使得WS2具有良好的光电性能。氧化锑(Sb2O3)是带隙为3.3 eV,结构类似于有机分子晶体的宽带隙n型半导体材料,直到目前,都很少有关于二维Sb2O3的研究。另外,碲化锑(Sb2Te3)是窄带隙的拓扑绝缘体,由于具有小的带隙(0.3eV),对光的吸收范围很宽,因此在光电器件方面具有潜在的应用前景。然而,单一的纳米材料很难实现多功能性器件的要求,并且对单一材料性能的提高也是很重要的一个研究方向。基于一维Sb2Se3纳米材料的优异光电性质与p型导电特性、二维WS2的n型电学输出行为、Sb2O3宽的带隙及Sb2Te3的窄带隙特点,可构建混合维度的pn异质结和不同能带排列的异质结,进而实现材料的多功能性或增强材料的光电性能。本论文采用改进的气相沉积法在无催化剂的条件下制备出了高质量的Sb2Se3单晶纳米线;采用两步直接气相外延法生长出了混合维度的一维/二维Sb2Se3/WS2 pn异质结;采用两步的气相外延法合成出高质量的Sb2O3/WS2同型异质结;同时成功制备了Sb2Te3/WS2异质结。最后对制备的Sb2Se3纳米线和几种异质结进行了电学与光电性能的研究。主要的研究成果如下:(1)采用改进的气相沉积法成功地在绝缘基底SiO2/Si上制备出了高质量的单晶Sb2Se3纳米线,拉曼(Raman)与透射电子显微镜(TEM)测试证实了合成的Sb2Se3纳米线具有高的结晶质量,电学测试结果说明Sb2Se3纳米线是一种p型半导体,且具有明显栅压可调的输出特性,电流开关比约为102。光电测试数据表明了该纳米线具有优异的光探测性能,光响应度达270 A/W,且光响应时间小于8 ms。(2)采用两步的气相外延法率先合成出了混合维度的一维/二维Sb2Se3/WS2 pn异质结,Raman与TEM证实了异质结的形成和各组分具有高的结晶性。电学与光电测试结果表明该异质结具有明显的电流整流行为,同时具有显著的光伏效应以及良好的自驱动光探测能力,最大的开路电压和短路电流分别为0.19 V和45.5pA;光响应度为1.51 A/W,光开/关时间小于8 ms,光开/关电流比为334。最后,我们通过采用简单易行的机械剥离法,证实了Sb2Se3纳米线与WS2纳米片之间的结合是范德瓦耳斯结合模式。(3)采用两步的气相外延法成功地实现了Sb2O3/WS2同型异质结的生长,统计结果显示Sb2O3纳米片在WS2上具有六个角度的取向生长,分别为0o、15o、45o、60o、75o和105o,且不在SiO2/Si基底表面成核生长。不同的基底(WS2)温度可以获得不同厚度的Sb2O3纳米片,光电测试结果表明该Sb2O3/WS2异质结具有明显的整流输出特性和良好的光电性能,光响应度为16.4 A/W,且该异质结具有第一类型(type-I)的能带排列。(4)采用两步的气相外延法成功合成出了Sb2Te3/WS2异质结,原子力显微镜(AFM)测试结果表明最薄的Sb2Te3纳米片为5.8 nm。Raman与TEM表征结果证实了其异质结的形成且各组分具有高的结晶质量,光致发光测试表明形成Sb2Te3/WS2异质结后,WS2的荧光发生淬灭。另外,制备的器件测试结果表明Sb2Te3/WS2异质结表现出比单一WS2增强的光电性能。
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