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半导体性单壁碳纳米管(S-SWCNT)是一种直接带隙半导体材料,其带隙根据直径和手性的不同可在0.6~1.2 eV范围内变化。S-SWCNT具有巨大的比表面积、超高的载流子迁移率、优异的宽谱(紫外-近红外)光吸收、电学性质对环境气氛敏感等特点,而且载流子在S-SWCNTs轴向输运为弹道式传输,传输自由程可至微米级。因此,S-SWCNT在构筑高性能纳米传感器方面受到广泛关注并具有着广阔的前景。然而,S-SWCNT的径向激子扩散长度仅在几个纳米范围内,这意味着S-SWCNT径向的载流子传输能力被严重限制,导致进一步提升这类纳米传感器的性能面临巨大挑战。SWCNT/石墨烯van der Waals结则能有效提高SWCNT中电子-空穴对的分离和载流子的传输效率,并对其电子与光电子性质实现原子水平上的调控。本论文以SWCNT/石墨烯van der Waals结的电荷转移机理为切入点,系统研究了基于SWCNT/石墨烯van der Waals结的高性能纳米传感器,包括光电探测器、湿度传感器以及多功能纳米传感器,详细评价了器件性能并分别阐述了相应传感机理,获得以下研究结果:(1)利用Raman光谱表征手段系统地研究了不同电压、基底和湿度等条件下(6,5)SWCNT/石墨烯van der Waals结中的电荷转移行为。实验结果表明,随着外加偏压的变化,该van der Waals体系中石墨烯的空穴注入效应反转为电子注入效应,发生反转的临界电压为4V;本征锗(Ge)和n型Ge基底均向石墨烯注入空穴,增强了(6,5)SWCNT/石墨烯体系中SWCNT的电子向石墨烯的注入效应;吸附水分子向(6,5)SWCNT中直接注入电子,进而改变(6,5)SWCNT/石墨烯van der Waals结的电荷转移行为。(2)创新地采用离散的石墨(SGR)设计构筑了(6,5)SWCNT/SGR全碳van der Waals结宽光谱(405-1064 nm)光电探测器。研究发现,采用SGR可大幅降低器件的暗电流,同时也使得SWCNT/石墨烯van der Waals结保持着优异的载流子分离传输能力。该器件的响应率和探测率分别可达3275.6 A/W和4.25×10~122 Jones,光导增益高达4×10~6,响应时间快至44μs。(3)提出“基底辅助调控光电器件性能”策略,研制出了Ge基底辅助的(6,5)SWCNT/石墨烯van der Waals结自驱动近红外(1064nm)光电探测器。得益于Ge基底的辅助作用,该器件自驱动下的响应率和探测率分别可达833 A/W和4.6×10~133 Jones。(4)首次采用无功能化处理的(6,5)SWCNT和化学气相沉积(CVD)石墨烯研制了基于新型全碳van der Waals结薄膜结构的高性能湿度传感器。在湿度为80%RH时,器件的响应灵敏度可达1820%;在零偏压和弱偏压(1 mV)下对微弱湿度变化的响应灵敏,响应/恢复时间最短为198 ms/110 ms。同时,研究揭示了“电荷转移与联动效应”的新型响应机制。(5)首次构筑出基于(6,5)SWCNT/石墨烯van der Waals结的自驱动多功能传感器。器件对光扰动信号的响应灵敏度为20%,对湿度扰动信号的响应灵敏度为43%,且两种信号响应相互独立。在两种信号交互下,器件的响应波形为两种信号响应波形的叠加。