石墨烯及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)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(dǎo)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(yuǎn)紅外到紫外）和載流子濃度的電場(chǎng)可調(diào)制性，被認(rèn)為是極具潛力的光電子材料，特別是在光探測(cè)器件的應(yīng)用備受關(guān)注。然而，石墨烯用于光探測(cè)時(shí)也存在一些劣勢(shì)或不足:本征石墨烯光學(xué)吸收率低、缺乏光增益機(jī)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(dǎo)致了石墨烯探測(cè)器的光電響應(yīng)度非常低（本征石墨烯的光響應(yīng)度～6 mA/W）。半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，有機(jī)染料和二維層狀半導(dǎo)體晶體等光吸收材料具有可調(diào)制的光學(xué)特性、極高的光學(xué)吸收和熒光發(fā)射量子效率以及激子倍增效應(yīng)，將其與石墨烯復(fù)合能充分利用石墨烯突出的電學(xué)性能以及這類(lèi)光吸收材料優(yōu)異的光學(xué)特性，有望能顯著地提升探測(cè)器的光響應(yīng)度?；谠搹?fù)合結(jié)構(gòu)的光探測(cè)原理稱(chēng)為photogating效應(yīng)，即光吸收材料在光照下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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(guò)電容耦合影響石墨烯的電導(dǎo)，在捕獲電荷復(fù)合前通道中的載流子不斷地循環(huán)輸運(yùn)，從而引入超高的光增益。由此可見(jiàn)，在該過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)光探測(cè)靈敏度的提高具有關(guān)鍵性的作用。基于此，研究如何能夠有效地調(diào)控復(fù)合體系中兩者間的電荷轉(zhuǎn)移及耦合相互作用，對(duì)進(jìn)一步提升復(fù)合結(jié)構(gòu)光電性能并加速該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)探測(cè)器中由于存在緩慢的電荷轉(zhuǎn)移/電荷捕獲過(guò)程，在引入高增益的同時(shí)卻

4、極大地犧牲了探測(cè)器的快速響應(yīng)。因此，深入地研究影響復(fù)合結(jié)構(gòu)中電荷轉(zhuǎn)移/電荷捕獲過(guò)程的因素，如含氧基團(tuán)和缺陷等，或者尋求一種避免復(fù)合材料間發(fā)生直接電荷轉(zhuǎn)移的光增益機(jī)制，是獲得快速、高靈敏度的石墨烯光探測(cè)器的重要途徑。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本論文主要開(kāi)展了以下幾項(xiàng)研究工作:系統(tǒng)地研究了石墨烯與光吸收材料（半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料）復(fù)合后電荷/能量轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致的熒光猝滅效應(yīng)。通過(guò)采用不同類(lèi)型的石墨烯，以及引入不同濃度和類(lèi)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(tuán)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(xué)和光電性能，揭示了含氧基團(tuán)及缺陷對(duì)氧化石墨烯光學(xué)性質(zhì)及相關(guān)器件性能的影響;首次提出并利用輕摻雜硅/氧界面無(wú)需電荷轉(zhuǎn)移的光增益機(jī)制(interfacial gating)，制備了一種新型的高性能石墨烯光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了在弱光下的高速光探測(cè)。本論文共有六章，各章內(nèi)容簡(jiǎn)述如下:
　　在第一章中，我們首先簡(jiǎn)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(cè)器的基本原理、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以及石墨烯在光電探測(cè)器研究中的應(yīng)用前景。最后，概述了本論文的選題背景和科學(xué)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(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的熒光猝滅效應(yīng)。在該過(guò)程中，首次將量子點(diǎn)的拉曼強(qiáng)度作為其濃度的定量標(biāo)準(zhǔn)，避免了因量子點(diǎn)分布不均對(duì)猝滅因子估算不準(zhǔn)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(yuǎn)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(gè)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(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。
　　在第三章中，我們研究了含不同濃度和類(lèi)型缺陷的石墨烯-羅丹明6G復(fù)合結(jié)構(gòu)的熒光猝滅效應(yīng)。分別通過(guò)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(lèi)型分別通過(guò)石墨烯D峰與G峰的拉曼強(qiáng)度比值(ID/IG)，以及D峰與D'峰的拉曼強(qiáng)度比值(ID/ID')進(jìn)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(lèi)型）和Ar+處理石墨烯（類(lèi)空位缺陷類(lèi)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(qiáng)烈地依賴(lài)于其中缺陷的濃度和類(lèi)型。
　　在第四章中，我們采用熱還原方式研究了含氧基團(tuán)和缺陷對(duì)氧化石墨烯的光學(xué)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(tuán)被逐漸移除，sp2雜化的碳原子部分恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，其可見(jiàn)光的吸收特性顯著增強(qiáng)，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(xué)對(duì)比度逐漸趨近于本征石墨烯。該結(jié)果表明，通過(guò)測(cè)量氧化石墨烯熱處理后的光學(xué)對(duì)比度可判定其層數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(yīng)性能。
　　在第五章中，我們?cè)O(shè)計(jì)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(cè)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(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了石墨烯器件高靈敏，快速和寬波段（從近紅外到可見(jiàn)）的光電探測(cè)。在功率＜1 nW的光照下，該器件光響應(yīng)度達(dá)到～1000A/W，且響應(yīng)時(shí)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(cè)能力。更重要的是，相比于以往報(bào)道的基于石墨烯異質(zhì)結(jié)或復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電器件，該石墨烯器件具有制備工藝更簡(jiǎn)