新型石墨烯基LED器件：从生长机理到器件特性

III族氮化物因具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和漂移速度大、稳定性高等优异特性而广泛应用在发光二极管(LED)、激光器以及高频器件中。目前III族氮化物薄膜通常是异质外延生长在蓝宝石衬底表面,但是由于蓝宝石与III族氮化物之间存在较大的晶格失配与热失配,使得外延生长的III族氮化物内部存在较大的应力与较高的位错密度,严重影响了器件性能;与此同时,蓝宝石衬底热导率差,限制了其在大功率器件方面的应用。近年来研究发现,石墨烯作为外延生长缓冲层,能够有效解决蓝宝石衬底与外延III族氮化物薄膜之间由于晶格失配和热失配导致的高应力与高位错密度等问题,进而获得了高品质薄膜,并提升了器件的性能。本文综述了石墨烯/蓝宝石衬底上III族氮化物生长与LED器件构筑的研究现状,着重介绍了本课题组提出的一种新型外延衬底—石墨烯/蓝宝石衬底的特点,阐明了III族氮化物在该新型衬底上的生长机理,总结了其对III族氮化物质量提升的作用,并对其发展前景进行了展望。     

具有SiC缓冲层的Si衬底上直接沉积碳原子生长石墨烯

石墨烯是近年发现的一种新型多功能材料.在合适的衬底上制备石墨烯成为目前材料制备的一大挑战.本文利用分子束外延(MBE)设备,在Si 衬底上生长高质量的SiC 缓冲层,然后利用直接沉积C原子的方法生长石墨烯,并通过反射式高能电子衍射(RHEED)、拉曼(Raman)光谱和近边X 射线吸收精细结构谱(NEXAFS)等实验技术对不同衬底温度(800、900、1000、1100 °C)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在以上衬底温度下都能生长出具有乱层堆垛结构的石墨烯薄膜.当衬底温度升高时,碳原子的活性增强,其成键的能力也增大,从而使形成的石墨烯结晶质量提高.衬底温度为1000 °C时结晶质量最好.其原因可能是当衬底温度较低时,碳原子活性太低不足以形成有序的六方C-sp2环.但过高的衬底温度会使SiC 缓冲层的孔洞缺陷增加,衬底的Si 原子有可能获得足够的能量穿过SiC薄膜的孔洞扩散到衬底表面,与沉积的碳原子反应生成无序的SiC,这一方面会减弱石墨烯的生长,另一方面也会使石墨烯的结晶质量变差.     

激子的增殖与第三代太阳能电池

通过激子增殖来提高太阳能电池的光-电转换效率是近年来颇受重视的一个研究方向.本文对激子增殖产生的途径与机制,以及在其形成过程中应注意的各种因素作了扼要的介绍和讨论,诸如:冲击离子化过程、声子瓶颈现象、热-电子的冷却过程、Auger重合过程,以及热-电子的电子转移过程等,同时也对检测这一过程的重要方法——瞬态(泵浦-探测)吸收光谱(TA)作了简要介绍,并通过某些实例对这一现象在作为第三代太阳能电池中光-电转换材料的半导体量子点内情况作了说明.     

有机场效应晶体管中给体-受体共聚物材料研究进展

自20世纪80年代至今,有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor,OFET)的研究已经取得了很大的发展,目前可用于场效应晶体管的有机半导体材料已达数百种.经过30年的发展,有机场效应晶体管的迁移率从10-6~10-5cm2?V-1?s-1提高到12 cm2?V-1?s-1,增长了6个数量级,其性能已经超过了无定形性硅场效应晶体管(0.1~1 cm2?V-1?s-1).值得指出的是,目前该类高性能的材料几乎都是基于给体-受体(Donor-Acceptor,简称D-A)的共轭聚合物,它也被誉为第三代半导体材料.本文综述了近年来国内外D-A共聚物半导体材料的研究状况,对空穴传输型、双极传输型和电子传输型的D-A共聚物半导体材料进行了分类总结和评述,并对其设计思路,器件制备及性能做了详细介绍,总结了材料的化学结构与器件性能间的基本规律,为今后应用于有机场效应晶体管的给体-受体共聚物半导体材料提供设计思路.     

水浴法制备CdS薄膜产生的本征缺陷对光电学性质的影响

采用化学水浴沉积法(CBD)在钠钙玻璃衬底上制备硫化镉(CdS)薄膜,研究不同硫酸镉(CdSO_4)浓度下产生的本征缺陷对CdS薄膜光电学性质的影响。采用光致发光光谱、紫外-可见分光光度计及霍尔效应测试系统对薄膜的本征缺陷、光学及电学性质进行分析,发现CdS薄膜主要存在镉间隙(Cdi)及硫空位(VS)等本征缺陷,且VS随CdSO_4浓度的降低而逐渐减少。同时,VS缺陷的减少有利于薄膜透过率的提高,但在一定程度上降低了薄膜的电导率。根据透过率及其相关公式可知,半导体材料中透过率与电导率成e指数反比关系,适当减小薄膜的电导率可以使其透过率得到大幅度的提高,理论解释与实验结果相一致。     

聚(茚并芴-三苯胺)的合成及性能

设计并合成了一类新的可用于有机场效应晶体管(OFET)的聚合物半导体材料聚(茚并芴-三苯胺)(pIFTPA1~4), 通过核磁共振谱和凝胶渗透色谱等对聚合物进行了表征, 同时对其场效应薄膜晶体管性能进行了测试. 结果表明, 这些聚合物形成了无定形半导体膜, 在空气中稳定, 其载流子迁移率远高于聚三苯胺(pTPA)类材料, 其中pIFTPA1载流子迁移率高达4×10^-2 cm²/(V·s), 开关比为10⁶.     

辣根过氧化物酶在表面活性剂膜中的直接电化学

利用3种表面活性剂分别将辣根过氧化氢酶固定在裂解石墨棱面（edge-plane pyrolytic graphite,EPG)电极表面,研究了辣根过氧化物酶（HRP）中Fe(Ⅲ）／Fe（Ⅱ）电对与电极之间的直接电子传递过程以及酶催化双氧化还原过程。实验结果表明：（1）表面活性剂是一种固定酶的理想材料;（2）这种体系可能构造第三代生物传感器,对解释生物体代谢过程具有理论意义,对制备第三代生物传感器具有应用价值。     

金属衬底上石墨烯的控制生长和微观形貌的STM表征

目前化学气相沉积(CVD)方法在不同的金属基底上大规模生长获得石墨烯得到了广泛的应用; 同时扫描隧道显微镜(STM)做为一种强大的精细直观的研究手段可以用于表征金属衬底上石墨烯的微观形貌, 指导石墨烯的控制生长. 本文侧重于Cu箔、Pt 箔和Ni 衬底上石墨烯的控制生长、表面微观形貌、表面缺陷态、堆垛形式的阐述, 得到结论: (1) 两种溶碳量较低的金属(Cu, Pt)上, 石墨烯的生长都符合表面催化的生长机制, 同时层间的范德华相互作用也可以诱导双层石墨烯的生长; (2) 衬底粗糙度的增加可以使石墨烯的电子态去简并化, 从而破坏石墨烯面内π键共轭结构, 导致部分碳原子转变为sp³杂化; (3) 原生的褶皱是由于界面热膨胀系数失配所导致; (4) Pt 箔表面石墨烯的平整度要远优于Cu箔表面的石墨烯, 且不同晶面共存的基底对于石墨烯的连续性并没有产生显著的影响.     

背入射Au/TiO2/Au肖特基结紫外探测器

TiO2作为一种宽禁带(3.0~3.2 eV)半导体材料,由于具有优异的物理化学特性和独特的光电特性,在许多领域都展现出广泛的应用前景[1~3].材料的尺寸、结构和形貌能赋予材料一些特殊的性质,近年来人们致力于研究不同形貌的TiO2纳米材料,如TiO2纳米线和纳米管等[4],并将其应用在光催化[5]、太阳能电池[6]和锂离子电池[7]等领域,但关于其在紫外探测器上应用的报道很少[8~10].本文采用水热法在F∶SnO2(FTO)衬底上制备出纵向有序生长的金红石型TiO2纳米线阵列,通过光刻工艺和磁控溅射技术制备了背入射Au/TiO2/Au肖特基结紫外探测器,并测试了其光、暗电流,光响应度及量     

从晶体取向特点探讨ZnO薄膜的晶体不完整性

用MOCVD法在蓝宝石衬底上得到了ZnO(0002)膜, 并用XRD和SEM进行了表征. 结果表明， 薄膜中沿［0001］择优取向生长的柱状晶垂直于衬底表面, 晶柱之间存在着边界和间隙. X射线Ф扫描实验结果表明, 晶柱之间的取向偏差在3°~30°之间. X射线ω摇摆曲线和谱线宽度分析结果表明, 薄膜中的晶柱是由多个晶粒堆叠而成, 且晶粒之间的平均取向偏差也在2.6°以上. 实验结果表明, ZnO大失配度异质外延膜是c轴［0001］取向柱状多晶体, ZnO薄膜的结晶不完整性主要是由其柱状晶结构造成的.