TMDs宽光谱光电探测器的制备及其性能

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二维过渡金属硫化物(TMDs)具有优异的力学性能、良好的光学吸收和电子迁移率等特性,不仅弥补了石墨烯零带隙的缺点,而且还具有可调的带隙,因此成为了制备下一代高灵敏度、高响应、小体积、宽光谱光电探测器的理想材料。二维TMDs范德华异质结没有悬挂键且不受晶格失配影响,因此在下一代的功能性电子和光电器件领域表现出巨大潜力。本文重点研究了在蓝宝石衬底上利用化学气相沉积法生长出不同的过渡金属硫化物薄膜(Mo S2、Sn S2、Mo S2/Sn S2异质结),并通过定位转移制备出了光电探测器,研究了Mo S2/Sn S2异质结及其单一组分材料的光电探测器在不同条件下的光电特性。其次还通过机械剥离法制备了基于Mo S2/Sn S2异质结光电探测器,研究了Mo S2、Sn S2以及Mo S2/Sn S2部分的光电特性,在波长为385 nm的激光激发下探究了光功率密度对光电探测器的净光电流、光响应度、探测率及外量子效率的影响规律。取得以下主要研究结果:(1)利用化学气相沉积法成功在蓝宝石衬底上生长出了分布均匀的薄膜材料,采用光学显微镜、拉曼光谱、光致发光、原子力显微镜等方法对其表征,结果表明制备出的单层Mo S2结晶良好,其形貌为边长约20μm的规则三角形,禁带宽度约1.88 e V。生长出的Sn S2尺寸约20μm,禁带宽度约2.22 e V,为多层厚度的薄膜,且表面不均匀分布,这与Sn S2呈螺旋式生长有关,严重影响制备单层厚度的Sn S2。两步法生长Mo S2/Sn S2,发现第二次沉积的Sn S2是以Mo S2为最佳的生长基板,在其表面沉积成膜,从而构建出垂直结构的异质结。(2)制备了基于不同薄膜材料(Mo S2、Sn S2、Mo S2/Sn S2异质结)的光电探测器,系统研究了激发波长、光功率密度及偏置电压对光电性能的影响。结果表明Mo S2/Sn S2异质结光电探测器在250~850 nm之间均有不同程度的响应,且响应电流大于单一材料探测器的响应。异质结光电探测器对波长为520 nm的绿色光响应最好,在该波长下探测器可探测的最弱光强为0.0008 m W/cm~2,实现了对微弱光信号的探测,且在此条件下异质结光电探测器的光响应度、探测率及外量子效率均达到最高值,分别为3.25 A/W,6.25×1012 Jones,8.40。除在可见光波段以外,异质结光电探测器在波长为1064 nm的近红外光波段的探测能力明显增强,可探测的最弱光强达0.3 m W/cm~2,表明通过构建异质结构大大增强了其自身可探测的光谱范围。同时其响应速度明显提高,响应时间和恢复时间分别为102 ms和85 ms。(3)通过机械剥离法构筑了基于Mo S2/Sn S2异质结光电探测器,研究了Mo S2、Sn S2以及Mo S2/Sn S2异质结的光电特性。结果表明异质结部分的光电流-波长关系图的线型具有和Mo S2相似的线型,这是由于Mo S2对构筑的异质结光电探测器光电流的提高起到了决定性作用。构筑异质结光电探测器在光响应度及外量子效率得到了明显提高,在波长为385 nm、偏压为0.9 V、光功率密度为1m W/cm~2时,器件的光响应度和外量子效率均最高,分别为8.71 A/W,28.1。
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