基于量子點(diǎn)-低維納米碳材料的光調(diào)制薄膜晶體管器件的研究.pdf

1、光電探測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于遙感、制導(dǎo)、紅外熱成像、光譜測(cè)量和工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)國(guó)家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。目前商用化的光電探測(cè)器大都采用分子束外延或者金屬有機(jī)化合物氣相沉積等方法生長(zhǎng)光電轉(zhuǎn)換靶面，同時(shí)還需要采用大量的半導(dǎo)體微加工工藝制備讀出電路。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)增大光電探測(cè)器的探測(cè)陣列尺寸以及基于柔性襯底的探測(cè)器提出了迫切需求。但是常規(guī)的光電探測(cè)器較高的制備溫度和昂貴的制備工藝嚴(yán)重制約了探測(cè)陣列的有效擴(kuò)展以

2、及在塑料或者聚合物等柔性襯底上制備光電探測(cè)單元。
　　由于很多納米光電轉(zhuǎn)換材料具有效率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此基于納米材料和納米結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。另外與傳統(tǒng)的光電二極管結(jié)構(gòu)相比較，光調(diào)制晶體管具有電流自放大功能，可以獲得更好地光電響應(yīng)特性。針對(duì)常規(guī)光電探測(cè)器件制備溫度高和半導(dǎo)體微加工工藝復(fù)雜的關(guān)鍵問(wèn)題，本論文探索采用溶液法合成半導(dǎo)體量子點(diǎn)以及低維納米碳材料并在室溫環(huán)境下制備的光電探測(cè)單元;將光電探測(cè)

3、單元與高性能薄膜晶體管(Thin film Transistor，TFT)有機(jī)結(jié)合，并作為光電探測(cè)器的基本探測(cè)單元，同時(shí)將TFT構(gòu)成光電探測(cè)信號(hào)的讀出電路。本論文的研究工作為發(fā)展柔性、大面積大尺寸探測(cè)陣列的光電探測(cè)器探索了新的技術(shù)道路。
　　本論文在量子點(diǎn)與低維納米碳材料的制備、光調(diào)制TFT的器件物理模型，以及基于TFT的光電探測(cè)單元設(shè)計(jì)和制備等方面開(kāi)展了創(chuàng)新性研究。本文設(shè)計(jì)完成的研究工作與取得的科學(xué)成果如下:
　　1.將硒

4、化鎘(CdSe)量子點(diǎn)引入常規(guī)的銦鎵氧化鋅（Indium Gadium Zinc oxide，IGZO）TFT，提高光電轉(zhuǎn)換性能，初步設(shè)計(jì)和驗(yàn)證光調(diào)制TFT。
　　研究結(jié)果表明在微光條件下(450nm，40μW/cm2)摻雜量子點(diǎn)后的復(fù)合薄膜光調(diào)制TFT比單純的IGZO TFT光電響應(yīng)度放大了近1000倍，同時(shí)將探測(cè)的波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展了一倍。從研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，由于量子點(diǎn)產(chǎn)生光生載流子向半導(dǎo)體溝道注入速率低，因此在TFT中直接引入半導(dǎo)體

5、量子點(diǎn)，其構(gòu)成的光調(diào)制TFT探測(cè)速度較慢。該成果發(fā)表于Applied Physics Letters,104(11), p.113501,2014。
　　2.采用高電子遷移率的低維納米碳材料，克服量子點(diǎn)引入導(dǎo)致的探測(cè)速度較慢的缺點(diǎn)。
　　為了克服直接將量子點(diǎn)應(yīng)用于光電探測(cè)器時(shí)，電子遷移率低、探測(cè)速度慢等缺點(diǎn)，本論文提出引入以石墨烯為代表的高電子遷移率低維納米碳材料。其優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能與量子點(diǎn)材料靈活可調(diào)的光電特性形成協(xié)同效

6、應(yīng)。本文以肖特基型光電二極管為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):(1).量子點(diǎn)的光激發(fā)載流子能夠在外偏壓條件下高效地轉(zhuǎn)移至石墨烯，受益于石墨烯的高電子遷移率，肖特基光電二極管的光電響應(yīng)速度得以較大提高。(2).由于石墨烯的透光率高達(dá)98％以上，所以石墨烯的引入沒(méi)有造成入射光的明顯衰減。反而由于石墨烯優(yōu)異的電子輸運(yùn)特性，整個(gè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率有所提高。增強(qiáng)了器件中載流子的遷移效率以及器件的光電轉(zhuǎn)換效率。(3).論文采用旋涂和磁控濺射等方法，在室

7、溫環(huán)境下沉積量子點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換材料、氧化還原石墨烯分散液(ReducedGraphene Oxide，RGO)和單層石墨烯電極等低維碳納米材料，在塑料襯底上制備了肖特基光電二極管。該成果發(fā)表于ACS applied material interface，7(4)，p.2452-58，2015。
　　3.考慮量子點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換單元的適配，設(shè)計(jì)具有優(yōu)異電學(xué)性能的石墨烯納米網(wǎng)格(Graphene Nanomesh，GNM)晶體管，為研發(fā)高性能光

8、調(diào)制TFT奠定電路器件基礎(chǔ)。
　　基于低維納米碳材料的晶體管器件是適配量子點(diǎn)材料，研發(fā)制備高性能光調(diào)制晶體管重要的電路器件基礎(chǔ)。通常，石墨烯晶體管由于零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，造成極小的開(kāi)關(guān)比，較大的反向電流等缺陷。本文設(shè)計(jì)了新型GNM薄膜，利用納米網(wǎng)格的量子限域效應(yīng)有效打開(kāi)石墨烯的帶隙，加工制備出GNM薄膜晶體管(GNM TFT)器件性能測(cè)試結(jié)果表明，該GNM TFT器件在保證電子遷移率（約400 cm2V-1S-1）的前提下，將開(kāi)關(guān)比

9、提高到30，與常規(guī)石墨烯晶體管相比較，開(kāi)關(guān)比提高20倍以上。此外，晶體管的反向關(guān)態(tài)電流降低至100 nA，使得GNM TFT初步具備了應(yīng)用于光調(diào)制晶體管的能力。
　　4.利用表面改性的方法，設(shè)計(jì)量子點(diǎn)與GNM之間的電荷傳輸通道，制備出高性能量子點(diǎn)/GNM光調(diào)制TFT。
　　前述研究結(jié)果表明，量子點(diǎn)與半導(dǎo)體溝道間的載流子轉(zhuǎn)移效率與速率是影響光調(diào)制TFT器件光電轉(zhuǎn)換效率，光電響應(yīng)速度等性能的重要因素。因此本論文建立了基于不同電荷

10、傳輸結(jié)構(gòu)的載流子傳輸模型，研究了量子點(diǎn)與GNM界面的載流子傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制，設(shè)計(jì)并構(gòu)建量子點(diǎn)與GNM之間的電荷傳輸通道，有效提高量子點(diǎn)/GNM光調(diào)制TFT器件的性能。本論文制備了光調(diào)制TFT原型器件，光電轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果證明了量子點(diǎn)中的光激發(fā)載流子能夠在柵極電壓產(chǎn)生的內(nèi)嵌電場(chǎng)作用下發(fā)生隧穿，高效傳輸至GNM溝道使量子點(diǎn)/GNM光調(diào)制TFT的光電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到了9.1，與已報(bào)道的其他量子點(diǎn)/石墨烯光調(diào)制晶體管器件相比提高近10倍。在此基礎(chǔ)上，該器