石墨烯及其復合結(jié)構(gòu)的光學和光電性能研究.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化并排列成蜂窩狀六角平面結(jié)構(gòu)而組成的二維晶體。它是零帶隙的半金屬半導體材料，具有超高的載流子遷移率(2.5×105 cm2/V s)、超寬的光譜吸收范圍（從遠紅外到紫外）和載流子濃度的電場可調(diào)制性，被認為是極具潛力的光電子材料，特別是在光探測器件的應用備受關注。然而，石墨烯用于光探測時也存在一些劣勢或不足:本征石墨烯光學吸收率低、缺乏光增益機制;石墨烯中光生載流子壽命短（僅皮秒左右），不能有效分離和收集，這

2、些因素導致了石墨烯探測器的光電響應度非常低（本征石墨烯的光響應度～6 mA/W）。半導體納米結(jié)構(gòu)，有機染料和二維層狀半導體晶體等光吸收材料具有可調(diào)制的光學特性、極高的光學吸收和熒光發(fā)射量子效率以及激子倍增效應，將其與石墨烯復合能充分利用石墨烯突出的電學性能以及這類光吸收材料優(yōu)異的光學特性，有望能顯著地提升探測器的光響應度?；谠搹秃辖Y(jié)構(gòu)的光探測原理稱為photogating效應，即光吸收材料在光照下產(chǎn)生電子-空穴對，隨后其中一種光生電荷

3、轉(zhuǎn)移至石墨烯，而另一種電荷則仍被捕獲在該材料中，并通過電容耦合影響石墨烯的電導，在捕獲電荷復合前通道中的載流子不斷地循環(huán)輸運，從而引入超高的光增益。由此可見，在該過程中電荷轉(zhuǎn)移對復合結(jié)構(gòu)光探測靈敏度的提高具有關鍵性的作用?；诖?，研究如何能夠有效地調(diào)控復合體系中兩者間的電荷轉(zhuǎn)移及耦合相互作用，對進一步提升復合結(jié)構(gòu)光電性能并加速該領域的發(fā)展具有重要的指導意義。此外，復合結(jié)構(gòu)探測器中由于存在緩慢的電荷轉(zhuǎn)移/電荷捕獲過程，在引入高增益的同時卻

4、極大地犧牲了探測器的快速響應。因此，深入地研究影響復合結(jié)構(gòu)中電荷轉(zhuǎn)移/電荷捕獲過程的因素，如含氧基團和缺陷等，或者尋求一種避免復合材料間發(fā)生直接電荷轉(zhuǎn)移的光增益機制，是獲得快速、高靈敏度的石墨烯光探測器的重要途徑。
　　針對上述問題，本論文主要開展了以下幾項研究工作:系統(tǒng)地研究了石墨烯與光吸收材料（半導體量子點和有機熒光染料）復合后電荷/能量轉(zhuǎn)移所導致的熒光猝滅效應。通過采用不同類型的石墨烯，以及引入不同濃度和類型的缺陷，有效調(diào)控

5、激發(fā)態(tài)電荷/能量的轉(zhuǎn)移;采用真空熱還原逐步調(diào)控氧化石墨烯中的含氧基團及缺陷（電子捕獲/缺陷態(tài)）濃度，顯著地提升了氧化石墨烯中的光學和光電性能，揭示了含氧基團及缺陷對氧化石墨烯光學性質(zhì)及相關器件性能的影響;首次提出并利用輕摻雜硅/氧界面無需電荷轉(zhuǎn)移的光增益機制(interfacial gating)，制備了一種新型的高性能石墨烯光電探測器，實現(xiàn)了在弱光下的高速光探測。本論文共有六章，各章內(nèi)容簡述如下:
　　在第一章中，我們首先簡要回

6、顧了石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷史，主要性質(zhì)和制備方法。接著介紹了光電探測器的基本原理、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以及石墨烯在光電探測器研究中的應用前景。最后，概述了本論文的選題背景和科學意義。
　　在第二章中，我們研究了單層、少數(shù)層石墨烯，氧化石墨烯以及熱還原氧化石墨烯-CdSe量子點復合結(jié)構(gòu)的熒光猝滅效應。在該過程中，首次將量子點的拉曼強度作為其濃度的定量標準，避免了因量子點分布不均對猝滅因子估算不準的影響。研究發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯(～13.1)和少

7、數(shù)層石墨烯的猝滅因子（雙層、三層為～7.8，四層為～9.5）遠大于熱還原氧化石墨烯(～4.4)，而氧化石墨烯的猝滅因子(～1.5)最低，這表明石墨化結(jié)構(gòu)是影響熒光猝滅效率的一個重要因素。此外，單層石墨烯與少數(shù)層石墨烯的猝滅因子差異不大，表明石墨烯的熒光猝滅效率與其厚度并不存在強烈的依賴關系。
　　在第三章中，我們研究了含不同濃度和類型缺陷的石墨烯-羅丹明6G復合結(jié)構(gòu)的熒光猝滅效應。分別通過H2和Ar+等離子體的處理，逐步地在石墨烯

8、中引入缺陷。缺陷濃度和類型分別通過石墨烯D峰與G峰的拉曼強度比值(ID/IG)，以及D峰與D'峰的拉曼強度比值(ID/ID')進行判定。研究發(fā)現(xiàn)，隨著缺陷濃度的增大，氫化石墨烯（sp3缺陷類型）和Ar+處理石墨烯（類空位缺陷類型）的淬火因子分別從～40逐漸減小至～4和～12。該研究結(jié)果表明，石墨烯的熒光猝滅效率強烈地依賴于其中缺陷的濃度和類型。
　　在第四章中，我們采用熱還原方式研究了含氧基團和缺陷對氧化石墨烯的光學和光電性能的影

9、響。隨著退火溫度的增加，氧化石墨烯中的含氧官能團被逐漸移除，sp2雜化的碳原子部分恢復。研究發(fā)現(xiàn)，其可見光的吸收特性顯著增強，峰位從230nm紅移至270nm。更重要的是，隨著還原程度的增加，熱還原氧化石墨烯的光學對比度逐漸趨近于本征石墨烯。該結(jié)果表明，通過測量氧化石墨烯熱處理后的光學對比度可判定其層數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控氧化石墨烯中的含氧缺陷數(shù)量，有效地提升了其器件的電子傳輸性能和光電響應性能。
　　在第五章中，我們設計了一種

10、基于輕摻雜硅/二氧化硅襯底的新型石墨烯光電探測器，并研究了其光電性能。利用輕摻雜硅/二氧化硅的interfacial gating效應，同時實現(xiàn)了石墨烯器件高靈敏，快速和寬波段（從近紅外到可見）的光電探測。在功率＜1 nW的光照下，該器件光響應度達到～1000A/W，且響應時間隨功率變化的影響較小，最快至400ns，具備很好的快速弱光探測能力。更重要的是，相比于以往報道的基于石墨烯異質(zhì)結(jié)或復合結(jié)構(gòu)的光電器件，該石墨烯器件具有制備工藝更簡