Graphene/TMDC异质结光导型器件制备与性能研究

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石墨烯(Graphene)自发现以来,以其独特的物理化学性质而备受关注。比如高迁移率,宽电磁波吸收谱,良好的导电性及透明性,这些优异的物理性质使石墨烯在红外光探测器以及高频器件中具有广泛的应用。然而零带隙结构和低光吸收率(仅2.3%),使石墨烯探测器响应度较低。另一种与石墨烯互补的二维材料过渡金属硫化物(TMDC),具有带隙随层数可调的禁带宽度(1.06-2.88eV),较强的光与物质相互作用,且光吸收率高于石墨烯。TMDC结构独特,其材料表面没有悬挂键,层内各原子以共价键连接,层间以范德华力结合。因此组装二维材料异质结对于光电探测器性能提升具有很大的意义。本文主要研究石墨烯与TMDC(MoS2、WS2)异质结光导型器件。论文主要内容如下:  首先研究二维材料转移技术。高质量转移是制备二维材料异质结及其柔性器件应用的关键。石墨烯转移方法主要使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)湿法转移,由于石墨烯原子层很薄,在转移过程中很容易出现褶皱、破裂等问题,因此本文通过目标基底亲水性处理、石墨烯背面刻蚀等进行改进,并对转移后的薄膜表面表征,确认所用石墨烯为单层结构,转移后表面比较干净,且可以大面积转移。同时尝试了松香转移,转移之后石墨烯表面杂质较少,但转移面积较小。同样我们以MoS2薄膜为例,MoS2转移主要使用聚苯乙烯(PS)作为支撑层,转移过程与石墨烯相似。表征结果表明MoS2表面比较均匀,为三层结构。  其次对转移后的石墨烯和MoS2进行电学性质分析。分别构造石墨烯和MoS2场效应晶体管,研究两种材料的电学性能。在图形阵列制备工艺中,石墨烯主要采用激光直写光刻方式刻写阵列图形,MoS2主要采用掩模版光刻方式刻写图形。激光直写光刻的优势在于能够在二维材料的特定位置制作特定形状的电极,成本较低。掩模版光刻比激光直写方法快速、简单,但图形受限于掩模版图形,制作成本高。通过电学性质分析,我们得出单层石墨烯载流子迁移率为1765cm2/(V?s),三层MoS2载流子迁移率为5.2cm2/(V?s),其开关比(Ion/Ioff)约103。  最后通过转移工艺制备金属/Graphene/MoS2异质结光电导型探测器,并测试其光电性能。石墨烯与金属电极接触为典型的欧姆接触,器件具有明显的负光电导效应,并且测试在650nm激光下器件的响应度为10.2A/W,但响应时间较慢,其上升时间约60s,下降时间约50s。此外,本文还对光谱响应度测试系统做了改进。
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