硒化镓(GaSe)纳米材料的液相制备及其光学性能研究

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随着二维材料在各个领域的广泛应用,越来越多不同类型的二维材料被科学家发现并进行研究。其中,硒化镓(GaSe)作为ⅢA-ⅥA族硫属化合物的代表走入了人们的视野。由于二维GaSe纳米材料独特的光电、热学、光响应、非线性光学等性能可广泛应用于太阳能电池、光电探测器、柔性电子、非线性光学等诸多领域。所以如何简单高效的制备出优良的少数层/单层GaSe纳米材料成为了众多科研工作者关注的课题。本文采用液相剥离法(LPE),通过设计和分析正交实验和单因素实验确定了液相剥离过程中超声温度、离心转速和GaSe溶液浓度三个因素的影响优先级和最优工艺参数,并在最优工艺参数条件下成功制备出了少数层/单层二维GaSe纳米材料。为了验证所得二维GaSe材料的电特性,设计初步的p-GaSe/n-SiPN结原型结构并研究其在不同光照的条件下的伏安特性曲线和时间响应性能。本文的主要研究内容有:1.利用LPE法以块体GaSe材料和异丙醇溶液为原料,设计六组对照试验,通过金相显微照片、原子力显微镜、拉曼谱以及光致发光光谱这四种方法对样品进行表征,探究样品厚度与表征结果的关系,得出结论:随着样品厚度的减少,剥离下来的二维GaSe纳米材料的颜色也会越变越浅,拉曼谱的振动峰的峰强会逐渐减小甚至消失,光致发光峰峰位会出现蓝移且峰强会减弱。2.设计三因素五水平的正交实验,以样品在室温下测得的光致发光峰峰强为依据,结合二维GaSe材料的金相显微照片、拉曼谱和光致发光谱对制备的25个样品进行极差和方差分析,结果表明三个因素影响的主次顺序为:超声温度>离心转速>GaSe溶液浓度。在正交实验的基础上进行进一步的单因素实验得到制备少数层/单层二维GaSe材料的最优工艺参数为:超声温度=40℃、离心转速=10000 rpm、GaSe溶液浓度=25 mg/ml。使用XRD、EDS、金相显微照片、AFM、TEM、HRTEM、SAED、拉曼谱、光致发光光谱进行优化工艺参数制备出的样品的表征和分析,结果表明成功制备出了单层GaSe材料。3.为了验证所制备的二维GaSe材料的电特性,本文设计了一个初步的p-GaSe/n-SiPN结原型结构,以优化工艺参数下制备所得的少数层/单层二维GaSe纳米材料为原料,运用滴涂的方法成功制备出p-GaSe/n-SiPN结原型结构,研究了PN结在不同波长相同光功率和不同光功率相同波长下的伏安特性曲线,不同波长相同光功率下的时间响应曲线,确定PN结在405 nm波长下的性能最好,其对应的光响应强度为75 mA/W,外量子效率为25%,响应时间极短。
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