【摘 要】
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以石墨烯为首的二维材料（2 Dimensions,2D）近十多年来引起了科学家的广泛兴趣,由于其高迁移率、光学特性可调、零带隙、吸收波段宽等优良的特点,在光电探测器件中有着巨大潜力。然而,尽管目前取得了很大的进展,但在基础和实践方面存在许多挑战,阻碍了其在高性能光电探测器的发展以及其他的光子和光电子应用;例如石墨烯基探测器由于其电阻较小,导致暗电流较大等类似问题。为了解决石墨烯基异质结光电探测器的
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以石墨烯为首的二维材料（2 Dimensions,2D）近十多年来引起了科学家的广泛兴趣,由于其高迁移率、光学特性可调、零带隙、吸收波段宽等优良的特点,在光电探测器件中有着巨大潜力。然而,尽管目前取得了很大的进展,但在基础和实践方面存在许多挑战,阻碍了其在高性能光电探测器的发展以及其他的光子和光电子应用;例如石墨烯基探测器由于其电阻较小,导致暗电流较大等类似问题。为了解决石墨烯基异质结光电探测器的现有局限性如响应速度慢等问题,与具有低成本、大面积、柔性和高吸收系数等特性的有机材料结合可以弥补甚至解决某些缺点。另外还能解决响应波长受限,功能单一等问题,以满足部分先进光电子芯片需求,本论文以石墨烯/有机作为探测器主体探索了以下几个方面的内容:1.以石墨烯/有机平面P-N异质结增强器件框架制备了石墨烯/C60/Pentacene的三层结构器件,利用C60/Pentacene的type-II型异质结良好的载流子解离优势,提高了石墨烯单层异质结器件的内建电场。相比于石墨烯/Pentacene器件的较差响应度,此器件响应提高到9127 A/W,响应速度优化至275μs,同时拓宽了响应波段,使其拓展到1550 nm。并且在此结构器件中发现了随探测波长光电流极性变化的正负响应,其在可见光波段为负响应,在近红外波段为正响应。随后还探究了正负响应转换点的相关因素,相继引入Cu Pc和Sn Nc Cl2等材料进行进一步实验探究。2.利用上述石墨烯/C60/Pentacene的三层器件构架,实验还引入了第二束光源作为调制光源对第一束信号光源的响应进行调制,利用不同波段极性相反的响应光束进行相互调制。实验发现相比于现有的器件只能调制光电流幅度值以及响应波长,此光调制器件不仅可以实现光电流幅度值调制与响应速度调制还可以实现光电流极性调制。随着光调制功率变化,最大响应度由器件本身的3425 A/W提高到7673 A/W。并且利用近紫外光可以去掉石墨烯氧空位的原理,还可以实现正负响应的渐变调控,更加完整揭示了石墨烯基多层有机器件的载流子输运机理。3.探究了石墨烯/有机体异质结光电探测器的响应机理与性能,设计了Zn O为电子提取层的新型器件结构,有效提升了有机体异质结中光生电子的提取并注入石墨烯沟道的能力。并且发现,在本器件中,可以实现近红外的无记忆光正负响应以及光记忆功能,并随着栅极电压的变化可以切换。由于实验利用的体异质结非富勒烯给体-受体材料PTB7:IEICO-4F相比平面异质结拥有更高的解离以及光灵敏度,使得石墨烯有机器件响应度可达10~6 A/W以上,可以响应n W/cm~2量级的弱光。另外其器件栅极切换的无记忆和记忆效果可用于机器视觉以及生物突触器件模拟等应用。4.进一步在石墨烯有机异质结基础上引入其他无机材料如Bi2O2Se进行载流子输运探究。利用Bi2O2Se在通信三个窗口较好的吸收对石墨烯/有机在1310 nm以及1550 nm的较弱响应进行增强,并且研究了石墨烯与type-III型异质结结合后探测器件的性能以及简单的通信波段ASCII码传输应用的演示。5.利用有机给体-受体电荷转移复合物与石墨烯结合继续拓宽石墨烯/有机器件的响应波长,最终实现长波长10.5μm的探测。探究了这类窄带隙有机材料在石墨烯器件上的探测性能表现。综上所述,本文全面的介绍了石墨烯/有机复合异质结的各类型器件包括石墨烯与有机的平面异质结、体异质结、无机-有机混合异质结和有机给体-受体电荷转移复合物异质结。本文详细探讨了各类型器件的机理,获得了响应速度低至几十微秒、响应度高达10~6 A/W、最大探测波长覆盖10.5μm。并且率先将不同类型的器件功能进行部分拓展以及延伸,包括光调制、近红外光记忆、机器视觉以及通信波段应用。这些工作将会为石墨烯/有机乃至其他二维材料/有机复合异质结提供新的研究思路与方向。
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