【摘 要】
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一些低对称低维半导体材料由于其维度上的受限以及在晶体结构上的低对称性,使其具有各向异性光学、电学、热学等特征,被广泛用于线偏振脉冲发生器、偏振图像传感器和偏振敏感光电探测器的构建和应用。探索新型低维半导体材料,开发其独特性能并拓展其应用一直是研究的热点。本论文系统地研究了V-VI族半导体Bi2S3、Sb Bi S3面内各向异性的光学性质及光电性能,并探索其在偏振成像领域的应用。论文内容及成果分述如
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一些低对称低维半导体材料由于其维度上的受限以及在晶体结构上的低对称性,使其具有各向异性光学、电学、热学等特征,被广泛用于线偏振脉冲发生器、偏振图像传感器和偏振敏感光电探测器的构建和应用。探索新型低维半导体材料,开发其独特性能并拓展其应用一直是研究的热点。本论文系统地研究了V-VI族半导体Bi2S3、Sb Bi S3面内各向异性的光学性质及光电性能,并探索其在偏振成像领域的应用。论文内容及成果分述如下:（1）基于一维Bi2S3纳米线的低噪声双波段图像传感器:通过理论计算得到Bi2S3体材料具有1.7 e V间接带隙,其理论吸收谱覆盖了可见光及近红外波段,并且Bi2S3在吸收谱上表现出面内各向异性。实验上,我们通过硫辅助化学气相沉积（CVD）的方法制备了高质量的一维（1D）Bi2S3纳米线。实验结果表明,所制备的1D Bi2S3纳米线为正交晶系的晶体结构。所制备的基于单根Bi2S3纳米线的Au-Bi2S3-Au型器件表现出优异的器件性能,光响度(32 AW-1)、开光比（1.08×10~4）、各向异性的光电流比值（1.9）。在1Hz频率下,光电探测器的噪声功率谱密度仅为4.39 p A Hz1/2（532 nm）和3.94 p A Hz1/2（808 nm）,Hooge参数2.0×10-5。该器件拥有较低的噪声,在低维半导体和传统半导体硅纳米线的对比中显示出明显优势。此外,器件分别在可见波段（532 nm）和近红外波段（808nm）均实现了高清晰的直接偏振成像。本部分工作表明Bi2S3纳米线在偏振光探测及直接偏振成像方面具有应用潜力,并为1D纳米材料在偏振光传感器方面的研究提供了理论依据。（2）阳离子合金化诱导准一维Sb Bi S3蓝移及其宽广谱偏振光探测:通过化学气相传输（CVT）的方法制备出Sb Bi S3单晶,随后用机械剥离法获得准一维Sb Bi S3纳米线。HRTEM,SAED和XRD结果分析证明,所制备的Sb Bi S3晶体为正交晶系结构,具有高质量结晶性和元素分布均匀性,经过分析发现这些晶体是沿着c轴堆积且沿着a轴生长。通过理论计算和实验表征进一步研究了所制备一维Sb Bi S3纳米线的光学和光电性质。理论结果表明体材料Sb Bi S3具有1.96e V的间接带隙,在近紫外区和可见光区有较强的光吸收,且沿晶体的不同方向具有非常明显的光学各向异性。实验进一步制备了基于Au-Sb Bi S3-Au的光电探测器,在532 nm激光下显示出较高的光响应速度,响应上升时间10μs,下降时间94μs。器件在360～1064nm波段内显示出良好的光响应和探测率。其中,在808 nm处各向异性光电流比值为1.12。本工作表明阳离子合金制备的Sb Bi S3半导体在偏振敏感光探测领域具有广阔的前景。（3）基于二维（2D）Bi2S3纳米片的宽光谱偏振敏感光电探测器:通过化学气相沉积（CVD）的方法首次在Si/Si O2衬底合成了2D Bi2S3三角形纳米片。所制备的2D Bi2S3纳米片呈现正交晶系的晶体结构,具有均匀的元素分布和高度结晶性,且具有各向异性的光学性能。场效应晶体管测试表明,2D Bi2S3纳米片具有n型半导体的特征。所构建的基于2D Bi2S3纳米片器件在360～1550 nm的宽波段范围内具有良好的光响应、较高的偏振灵敏度以及稳定性。其中,器件在808nm波长下获得的各向异性光电流比值为1.4。另外,探测器在偏置电压0.1 V、栅压50 V时的噪声功率密度仅为1.1p A Hz-1/2（1 Hz）。本工作证明了具有面内各向异性2D Bi2S3纳米片在高灵敏度和偏振光探测应用方面具有潜力,同时也为二维纳米半导体结构材料在偏振敏感光探测器的研究提供理论依据。
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