二维Ⅳ-Ⅵ族半导体的可控合成及其光电性能研究

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二维层状半导体材料具有独特的电子结构和量子尺寸效应,在能源、微电子、光学以及光电子器件等领域受到广泛关注。其中,Ⅳ-Ⅵ族金属硫属化合物因为成本低、元素丰富、对环境友好等优点,近几年迅速成为大家研究的热点。同时,它们还具有丰富的层状晶体结构以及新颖的物理性质,并且已经在电子和光电子器件中显示出巨大的应用前景。然而,与研究比较成熟的过渡金属硫化物相比,二维Ⅳ-Ⅵ族半导体在各方面的研究都处于起步阶段。因此本文第一章主要综述了二维Ⅳ-Ⅵ族半导体近几年的研究现状,并在随后的章节从可控制备、器件构筑以及器件改性这一思路对这一体系进行集中研究。  正文部分首先介绍了采用SnI2和Se粉作为前驱体,以及云母作为收集产物的衬底,最终得到了大面积均匀分布于衬底表面的超薄SnSe2三角形(厚度可达1.5nm,横向尺寸可达40μm)。并通过Raman、TEM等表征手段证实了得到的是高质量的单晶SnSe2纳米片。随后以高质量的SnSe2超薄二维结构为载体,构筑了光电器件,并对其在可见光范围内进行了一系列光电性能测试。  其次,利用SnI2和S粉作为蒸发源,采用SiO2作为收集衬底,得到了大量分布于衬底的三维超薄SnS2纳米片,并且纳米片平均尺寸超过了100μm。然后以得到的SnS2纳米片为载体构筑光电晶体管,采用SiO2作为底栅,利用底栅来实现对光电器件性能的调控。  第三,利用金催化剂诱导生长SnS垂直纳米片/纳米带阵列结构,然后以其为载体构筑光电器件,并选择Ti作为接触电极。由于Ti的功函数(~4.33eV)比SnS的电子亲和势(~3.9eV)大,因此Ti金属电极与SnS接触处形成肖特基接触,使得器件具有较快的响应速度。  第四,构筑异质结实现电子空穴对的有效分离从而提高器件的光电响应。首先采用CVD法合成单层MoS2三角形,然后以MoS2三角形为模板外延异质生长SnSe2纳米片结构。采用球差校正高分辨透射电镜对SnSe2/MoS2异质结的微观结构、晶相进行系统分析,发现SnSe2与MoS2均属于2H相。同时对其能带进行理论计算发现异质结属于典型的type-Ⅱ类型,即电子空穴对可以高效分离。还通过Raman、PL、XPS验证了界面电荷耦合及转移过程。最终得到的SnSe2/MoS2异质结的光电响应度比MoS2的高出两个数量级。  第五,在BN衬底上构筑高性能的p-WSe2/n-SnS2异质结光电晶体管。采用机械转移的方法构筑基于WSe2/SnS2的p-n异质结,同时为了改善器件性能,避免与SiO2衬底接触界面处的电荷杂质以及吸附态对沟道的载流子输运造成散射等不利影响,在SiO2和沟道中间插入薄层BN以屏蔽这种不利的散射作用,最后在BN纳米片上构筑了WSe2/SnS2的p-n异质结。电学性能测试表面器件呈现出明显的整流效应,并且空穴载流子占主导地位。构筑的p-n异质结显示出优异的光电性能。  最后,对全文工作进行总结并提出了遇到的问题以及今后的研究计划。
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