脉冲激光沉积制备的二维InSe及其异质结薄膜的光学与柔性光电性质研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chuanjie_zheng
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随着二维半导体领域的研究日渐深入,这类层状半导体也表现出越来越多神奇的物理性质。但是一个广泛而又基本的问题始终存在于二维半导体领域——如何制备大面积的二维半导体材料。常见的二维材料获取方法,如化学气相沉积或机械剥离都难以获取超过几百微米大小的样品。因此,为了解决这个问题,我们深入探究了脉冲激光沉积系统在制备大面积二维硒化铟(InSe)材料方面的应用。InSe作为一种Ⅲ-Ⅴ族二维半导体,因为其优良的光电特性和超高的电子迁移率而受到广泛关注。PLD系统能够非常容易的获取厘米级大小的二维InSe半导体薄膜。同时,对于制备的样品厚度和形状能够精确控制,为进一步制备相应二维材料微纳器件降低了难度。我们实现了PLD在不同温度下制备大面积二维InSe薄膜。研究中发现,用PLD制备InSe的适宜温度区间涵盖了从350oC到600oC的范围。这种宽泛的温度要求丰富了衬底选择的多样性,同时也给结合其他材料形成异质结带来了可能性。我们通过XRD、Raman和SEM系统分析表明生成的ε相的InSe薄膜的具有良好的结晶性,表面有明显的层状结构。并通过XPS测试技术可知In与Se化学计量比为1.08:1,非常接近于理论值。半导体薄膜与金属电极间的接触往往深刻的影响着器件电学性能。而常被使用的Au电极与InSe薄膜间存在一个约0.7 eV的较大的肖特基势垒。为了降低金半接触的势垒,我们设计并实现了一个自组装的CuInSe2/InSe横向异质结。通过Cu原子的引入,形成新物质CuInSe2,实现InSe的图形化生长。并通过异质结调节薄膜与金属铜电极间的能带结构,形成准欧姆接触。通过XRD和Raman光谱仪的分析,确定形成的CuInSe2薄膜属于α相的黄铜矿晶格结构。通过XPS来分析CuInSe2的键合情况,分析化学计量比可知,在CuInSe2区域中贫铜富铟,这种偏离理想化学计量比的状态导致CuInSe2区域可能表现为重掺杂的n型导电类型。我们通过Raman Mapping和SEM探究CuInSe2/InSe异质结的分布规律,异质结交界两侧有明显的差异。为了进一步探究异质结与金属间的能带分布,我们通过KPFM来探究靠近铜电极附近区域异质结的表面电势变化,并得到异质结的能带图。从KPFM的表面电势分析可得,铜电极与CuInSe2区域间存在微弱的肖特基势垒,异质结薄膜与铜电极间近似欧姆接触。与Au/InSe样品进行对比后,发现CuInSe2/InSe异质结有更好的线性I-V电学特性。进一步的,KPFM测试结果表明CuInSe2区域与InSe区域的电子填充水平存在差异而形成电荷的流动,形成一个由CuInSe2指向InSe的内建电场。内建电场的存在使得CuInSe2/InSe异质结器件的光电流约为Au/InSe器件的4倍。在光开关曲线中,随着表面光功率密度的增加,异质结的开关比逐渐增大至约40倍。最后,我们探究了该CuInSe2/InSe异质结光电探测器在柔性状态下的光电效应。外部施加的应力对薄膜的暗电流的影响较大,因此在大的压应力下,异质结暗电流逐渐被抑制,因此开关比得到提升。
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