论文部分内容阅读
在石墨烯问世之前,各种半导体材料是光电探测器件的主要结构单元,由于带隙的存在,半导体材料的光电转换效率普遍较高,并且对特定波段的入射光具有明确的选择性。如果将半导体与石墨烯相结合,利用半导体材料优异的光吸收能力和石墨烯高速的载流子传输能力,构建复合结构的光电探测器,成为兼顾器件响应度与响应速度一种途径。本文将石墨烯与ZnO纳米棒与ZnMgO薄膜进行结合,制备不同结构的光探测器,主要研究石墨烯对ZnO纳米棒阵列形貌与结构的影响与对器件光探测性能的影响。具体工作如下:本文在不同衬底上制备了ZnO纳米棒,研究了不同衬底,尤其是石墨烯衬底对ZnO纳米棒形貌与结构的影响,结果表明石墨烯的二维六方结构有利于六方纤锌矿结构ZnO纳米棒的生长。ZnO种子层成核更小,生长密度更大,且取向性更好,晶体缺陷最少。制备石墨烯/ZnO纳米棒异质结器件,通过热处理优化Au电极接触性能,300℃是最佳热处理温度。通过石墨烯/ZnO纳米棒异质结器件与ZnO纳米棒器件的对比,发现石墨烯能够与半导体材料形成内建电场,并且具有极高的载流子传输能力,可以大大加强器件的光探测性能。器件的上升时间从330s下降到164s,恢复时间从968s下降到822s,光响应度从0.039A/W提升到1.2A/W,提高了31倍。利用磁控溅射制备高Mg组分ZnMgO薄膜,对不同溅射时间(30min、60min、90min与120min)的ZnMgO薄膜进行结构与吸收光谱表征,随着厚度的增加,薄膜光学带隙呈现先增大后减小的趋势。根据Burstein-Moss移动理论,薄膜厚度会影响带隙,晶粒尺寸的增大,晶界减少,均有利于探测性能的提高。其中ZnMgO溅射时间为90min的器件响应度最好,为1.1A/W,响应时间最短,为222s。分别制备ZnMgO/ZnO纳米棒异质结与石墨烯/ZnMgO/ZnO纳米棒异质结的光探测器件,首先表征ZnMgO/ZnO纳米棒的异质结构,随后研究不同厚度的ZnMgO对ZnMgO/ZnO纳米棒异质结光探测器的性能影响。发现ZnMgO溅射时间为90min的异质结光探测器整流效果最好,光响应度最高,为0.95A/W。研究不同退火温度对器件性能的影响,发现在400℃以下时随着退火温度的逐渐增加,异质结的整流效应逐渐增强,300℃时整流效应达到最佳,而到达400℃时,整流效应几乎消失。光响应度也呈现先增加后减小的趋势,其中300℃退火的器件光响应度最好,达到1.7A/W。通过引入石墨烯,对比ZnMgO/ZnO纳米棒异质结与石墨烯/ZnMgO/ZnO纳米棒异质结两种器件的探测性能,通过I-T测试发现,引入石墨烯后,光响应度明显增大。