二维碲单晶的化学气相沉积及其光电性能研究

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随着大规模制备技术的日益进步,越来越多新的二维材料被进一步探索与研究。由于二维材料具有原子级的厚度,能够极大的缩小器件的尺寸,提高电子装配集成度,而且其可调带隙、良好的光电子特性等许多有趣的物理特性,使得二维材料在不同的电子器件应用领域具有很高的潜在应用价值。二维Te是一种硫族元素材料,与其他现有二维材料相比,二维Te具有环境稳定、氧化和水合催化活性、可调带隙、热电和非线性光学响应等优秀的特性,以及在室温下具有高载流子迁移率。这些特性有利于其应用在高性能光电探测器、场效应晶体管(FET)和调制器等方面。此外,二维Te纳米薄片具有独特的螺旋链结构,这使其具有高载流子迁移率和强的面内各向异性特性。同时,二维Te纳米片的柔性机械性能和低结构对称性提供了高的面内压电系数,这使其成为压电器件的潜在材料。此外,二维Te纳米薄片在目前已知的二维单元素材料家族中具有最低的晶格热导率,表现出非凡的拓扑特性。本论文主要采用化学气相沉积法,以In2Te3作为生长源,氟金云母片为衬底,利用狭缝区域外延生长技术,制备大尺寸、高质量的二维碲单晶纳米片。在此基础上,制备了基于二维碲纳米片的场效应晶体管,并对器件的电学性能与光响应性能进行了系统的研究。研究方法与结果如下:一、采用熔点较高的In2Te3作为生长源,通过高温的化学气相沉积法成功的制备出大尺寸、高质量的二维碲纳米片,并系统的探究了生长温度、保温时间、载气流速、生长源的浓度对二维碲纳米片的形貌的影响。此外,探究了生长温度对二维碲纳米片厚度的影响。对所制备的二维碲纳米片进行光学、形貌与晶体结构的表征。结果表明,二维碲纳米片表面形貌平整,属于六方晶系结构。除此之外,X射线光电子能谱表征结果表明二维碲纳米片中并无铟原子残留。所提出的高温化学气相沉积生长高质量二维Te材料的策略为二维材料制备技术的研究提供了一种有益的思路。二、通过湿法转移,将二维Te纳米片从云母衬底转移至SiO2/Si基底上,制备出基于二维Te纳米片的场效应晶体管。使用波长为405、532、635和808 nm的光脉冲对场效应晶体管进行了光响应性能测试。研究结果表明,基于二维Te纳米片的场效应晶体管转移曲线特性表现出明显的p型电学行为,室温空穴迁移率高达850 cm~2/(V·s)。当施加一定程度的正栅极电压时,场效应晶体管会表现出轻微的双极型电学行为。光电探测器表现出良好的稳定、可重复光响应性能,在405 nm的入射光下具有较高的光电流,光响应度为1.04×10~4A/W,光电流上升时间和衰减时间分别为4.3 s和17.6 s,探测率为1.4×1012Jones,外部量子效率为3.19×10~6%,灵敏度为64 cm~2/W。这些结果表明二维碲纳米片在光探测器件领域具有较大的潜在价值。三、对二维Te纳米片的各向异性特性进行了研究。通过偏振光拉曼测试,揭示了二维Te纳米片强的面内各向异性特性,峰/谷比达到了14.96。对场效应晶体管进行角分辨电学测试,发现二维Te的场效应晶体管拥有较为明显的电学各向异性特性,峰/谷比达到了1.73。此外,对器件的各向异性光响应特性进行测试,发现不同角度的偏振光所引起的光电流变化不大。实验结果为理解二维碲纳米片的各向异性特性提供了有价值的信息。
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