基于二维材料异质结的光探测器研究进展

二维材料异质结因其特有的层状结构和优异的光响应性质,被认为具有应用于新一代光探测器件的潜力.二维材料家族具有丰富的种类,因其能带带隙范围分布广,光电响应可覆盖从紫外到红外的波谱范围.另外二维材料层间通过范德瓦尔斯力相结合,因此理论上可以利用不同二维材料层间的范德瓦尔斯力相互作用制备出多种性能优异的二维材料异质结.近年来有多种二维材料异质结通过机械堆叠法及CVD生长法被制备出来,且二维材料异质结光探测器在可见光至远红外波段表现出优异的性质.在这样的研究背景之下,本文从二维材料异质结的制备、器件制备与器件性能等几个方面综述了近年来二维材料异质结光探测器的研究进展.     

InSe/石墨烯异质结光学特性的研究与调控

InSe是一种新兴的二维层状材料,具有多种优异的光学特性.随着层数的降低,带隙从近红外逐步变到可见(1.26 eV到2.11 eV),如此大的可调谐的带隙和高本征迁移率,让其在光电探测领域有着良好的应用前景.但是研究发现,InSe在空气中不稳定,易被氧化,很大的限制了其应用.而石墨烯具有极宽的光谱吸收范围和高电子迁移率,同时具有理论上97.7;的透光率.因此石墨烯-InSe复合体系能够充分将石墨烯优异的电子传输特性以及InSe突出的光学吸收特性结合起来,从而提升光电性能.本文首先利用干法转移制备了石墨烯和InSe的异质结构,然后通过阶段式退火处理调控了两者之间的相互作用,研究发现随着退火时间的加长,被石墨烯覆盖的InSe荧光强度逐渐降低,说明二者之间相互作用逐渐增强,InSe中更多的电子转移到石墨烯中,极大的提升其光电特性.该结果为异质结相互作用的调控以及光电性能的提升提供了非常好的途径.     

低维第五主族纳米材料的研究进展:从结构性质到制备应用

石墨烯的零带隙和二硫化钼载流子迁移率低的性质阻碍了它们在电子器件中的应用。单层黑磷的成功制备和磷烯的直接带隙、较高的载流子迁移率和负的泊松比等性质弥补了石墨烯和二硫化钼的不足,引发了人们对低维第五主族纳米材料的研究兴趣,使低维第五主族纳米材料在材料科学和光电子等领域快速发展。本文总结了近几年第五主族低维纳米材料的一些研究成果,结合理论计算和实验合成两个方面进行研究,分析了材料的结构和性能之间的关系,最后对上述材料的制备方法及应用情况进行了总结。低维第五主族纳米材料呈现出多种晶体结构、较高的动力学稳定性、丰富的电子结构性质和较高的载流子迁移率等特性。上述性质使得低维第五主族纳米材料在低维光电子器件等方面具有广泛的应用前景。     

基于温和等离子体技术的二硫化钨可控减薄

二硫化钨(WS2)作为二维过渡金属硫族化合物(TMDs)中的一员,具有独特的光学和电子性能,引起学术界和产业界的高度关注和广泛研究.当厚层WS2转变为少层甚至单层WS2时,其能带结构由间接带隙转为直接带隙,因此可用于光电探测器,和电致发光器件等.本文采用一种处于电容放电模式(E-mode)下的温和电感耦合等离子体对WS2进行减薄.通过使用不同的RF功率密度,厚层WS2可以被快速减薄,而少层WS2可以被逐层减薄.拉曼和荧光表明,随着WS 2样品被减薄,其荧光显著增强.本研究为对二维材料的可控减薄提供了新途径.     

二维MoS2/WSe2异质结的光电性能研究

近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS₂的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS₂的光电探测器表现出较高的响应度,但是其较低的载流子迁移率也限制了响应时间,约在秒量级。二维半导体的相互堆垛可以形成具有低缺陷态且空间均匀的范德华异质结构,是提高二维光电探测器性能的有效途径。基于此本文通过机械剥离转移法构筑MoS₂/WSe₂垂直pn异质结,其较强的空间电荷区能有效地分离光生载流子,所以在自驱动状态下仍具有较好的光电探测能力,光响应度和探测率分别达到2.12×10³ A/W和2.33×10¹¹ Jones,同时极大地缩短了响应时间,响应时间达到40 ms。这种二维异质结器件制备方法简易,性能优异,在光电子领域具有广阔的应用前景。     

近红外宽带全方向反射镜的设计

研究了一维光子晶体的全方向反射镜.用传输矩阵法分析了影响全反镜全方向反射带带宽和位置的因素.利用带隙展宽理论,构建异质结构光子晶体,设计得到了近红外宽带全反射镜.比较发现,Te/SiO2构成的一维异质结构全向带反射特性优于TiO2/SiO2构成的一维异质结构,该反射镜TE偏振波的全方向反射带分布在近红外波段1 001 ～ 2999 nm范围内,TM偏振波的全向反射带分布在1001 ～2323 nm波段范围内,获得的反射率高于98;,而薄膜层数只需要20层.     

多层初始晶硅薄膜的微观结构及光电导特性分析

采用等离子体增强化学气相沉积技术通过高氢和低氢稀释层交替生长制备出多层初始晶硅薄膜,利用Raman散射、红外吸收、紫外可见吸收及I-V测量等技术分析了薄膜的微观结构、能带特征和光电导特性.结果显示,不同氢稀释层交替生长导致薄膜由非晶硅向初始晶硅结构转变,随高氢稀释层厚度的增加,薄膜微观结构有序性提高,所对应薄膜光学带隙减小,而带尾分布展宽.I-V测量显示,薄膜微观结构有序性提高和光学带隙降低的共同作用导致薄膜光敏性呈现先减小后增加趋势,然而,在高氢稀释层厚度较大时,纳米晶硅边界载流子快速复合导致薄膜光敏性的显著减小.     

Janus二维双层MoSSe/WSSe异质结光电性质的第一性原理研究

通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同，双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且，两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此，Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。     

二维声子晶体异质线缺陷的声波导特性

以二维铝圆柱/空气体系声子晶体引入正方柱线缺陷为研究对象,采用平面波法结合超元胞的方法研究了该异质线缺陷的填充系数、旋转等因素对声波导的影响,讨论了异质线缺陷模场分布.结果表明,当f＝0.7、fd＝0.5旋转散射柱时,缺陷带只出现在-45°＜θ＜45°范围内,且位置随旋转角变化;带隙中缺陷带的数量随fd的增加而减少,当fd很小时,异质线缺陷的旋转对声波导没有影响;缺陷态的模场分布取决于它在带隙中的位置和距带隙上下边带间的距离.     

ZnO(110)单层膜对O的自吸附及其电子结构的研究

基于密度泛函理论方法研究分析了一种Zn顶位吸附O的ZnO(110)-O二维膜材料的结构、结合性质、磁性质、电子结构和光吸收性质.结果表明,ZnO(110)二维膜经过O吸附之后,Zn-O键长分别增大到0.1992 nm和0.1973 nm,Zn-O链之间的距离减小到0.5628 nm,O-Zn-O键角度为108.044°,ZnO(110)膜Zn顶位对O原子的吸附为倾斜的吸附.经过Zn顶位O的吸附,ZnO(110)二维膜内原子间离子性结合性增强,吸附的O与Zn也形成偏离子性结合键,Zn顶位吸附O原子之后能量有所降低,吸附体系为反铁磁性材料.O吸附的ZnO(110)-O二维膜为间接带隙型材料,带隙宽度为0.565 eV.材料中的p电子对费米能处态密度贡献较多.ZnO(110)-O二维膜最高吸收峰位于156 nm,吸收率为67181光吸收单位,其在445 nm以上具有宽的强吸收带.