纳米尺度范德华异质结的电学与光电子学特性研究

论文摘要

PN结是电子学和光电子学器件的核心部件。随着器件的尺寸越来越小,纳米尺度PN异质结的研究显得尤为重要。然而,因为悬挂键和晶格失配,传统材料很难实现原子级平整的异质结界面,限制了纳米尺度PN异质结的发展。二维材料是一类层间依靠范德华力结合在一起的表面无悬挂键的层状材料。二维材料通过简单的堆叠,就可以实现各种功能的原子级平整的异质结。因此,二维材料为我们研究纳米尺度的异质结提供了理想的平台。本论文主要研究三种不同类型的范德华异质结。三个异质结都展现了独特的电学和光电子学特性,证明纳米尺度范德华异质结是研究新原理器件和物理机制的有效手段。通过对异质结性能的表征,证明纳米尺度范德华异质结在纳米电子学和光电子学领域拥有巨大的应用前景。本论文首先介绍石墨烯（graphene）/二硒化钨（WSe2）范德华异质结中的整流特性和极性反转特性,并介绍该异质结的优异光伏探测性能。该异质结在零偏压下的光响应率可以达到66.2mA/W,比探测率可以达到1013cm Hz1/2/W。然后介绍黑砷磷（b-AsP）/二硫化钼（MoS2）异质结的光电特性。利用b-AsP/MoS2异质结为例,我们提出了一个普适方法来提高室温中红外光电探测器的性能。宽带隙与窄带隙材料堆叠而成的二维异质结红外探测器,可以极大地抑制暗电流和噪声,大幅提升器件的性能。基于b-AsP/MoS2异质结探测器的性能超过了现有的商用室温中红外探测器的性能。最后介绍硒化铟（InSe）/黑磷（BP）异质结独特的电学和光电性能。在InSe/BP异质结中,我们首次观测到弹道雪崩现象,并基于此现象制作了弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。基于弹道雪崩机制的中红外探测器展现了极高的光子放大倍数,噪声可以低于传统雪崩探测器的理论极限。基于弹道雪崩机制的场效应晶体管的平均亚阈值摆幅可以达到0.25mV/dec。为了证明该雪崩探测器的工作机制是弹道雪崩,我们测试了 BP垂直方向的法布里-波罗（Fabry-Perot）干涉图案,直接证明了载流子在BP垂直方向的输运是弹道输运。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 主要符号对照表
• 主要缩写对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 二维层状材料
•   1.2 二维层状材料的分类
•   1.3 二维层状材料电子器件
•   1.4 二维层状材料光电探测器件
•   1.5 二维层状材料异质结
• 第二章 样品的制备、表征和测量
•   2.1 机械剥离法制备薄层样品
•   2.2 二维材料异质结器件的制备
•   2.3 二维材料异质结器件的测量
• 2异质结器件'>第三章 石墨烯/WSe₂异质结器件
• 2异质结的电学性质'>  3.1 石墨烯/WSe₂异质结的电学性质
• 2异质结光电探测器'>  3.2 石墨烯/WSe₂异质结光电探测器
•   3.3 本章小结
• 2异质结器件'>第四章 b-AsP/MoS₂异质结器件
• 2异质结光电探测器'>  4.1 b-AsP/MoS₂异质结光电探测器
• 2异质结光电探测器的基本表征'>    4.1.1 b-AsP/MoS₂异质结光电探测器的基本表征
• 2异质结光电探测器的性能比较'>    4.1.2 b-AsP/MoS₂异质结光电探测器的性能比较
•   4.2 本章小结
• 第五 InSe/BP垂直异质结弹道雪崩器件
•   5.1 背景介绍
•     5.1.1 BP的电学和光学性质
•     5.1.2 传统雪崩器件的局限
•   5.2 弹道雪崩现象
•     5.2.1 BP垂直方向的迁移率
•     5.2.2 BP垂直方向的弹道输运
•     5.2.3 InSe/BP垂直异质结的弹道雪崩
•     5.2.4 InSe/BP垂直异质结弹道雪崩的特点
•   5.3 弹道雪崩现象的应用
•     5.3.1 InSe/BP垂直异质结弹道雪崩光电探测器
•     5.3.2 InSe/BP垂直异质结弹道雪崩场效应晶体管
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高安远

导师: 缪峰,王伯根

关键词: 纳米,二维材料,范德华异质结,光电探测器,黑砷磷,黑磷,硒化铟,弹道,雪崩,晶体管

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O475

总页数: 114

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