石墨烯3D包裹的Cu纳米丝透明欧姆电极及其LED器件应用研究

摘要

随着平板电视、电子阅读器、智能手机、触摸屏等电子产品的普及，光电子器件在技术上日益成熟的同时，依然面临着尚未解决的核心难题。电极作为光电子器件结构中重要的组成部分，一直以来都是备受关注的研究领域，而传统电极已经出现了其在工艺和材料上的发展瓶颈，开发新的材料制作导电而又不挡光的透明电极成为了研究者们竞相追逐的目标。此外，衬底材料的不匹配导致的较差的外延层品质尚未找到理想的解决方法，因此人们在衬底上生长三维的半导体纳米柱结构以制作三维的光电子器件。本论文从石墨烯3D包裹的核壳结构Cu纳米丝、Cu@G纳米丝网络透明欧姆电极的LED、GaN纳米柱阵列的MOCVD自催化合成三个方面进行了研究，并取得了重要的进展:
　　一、实现了石墨烯3D包裹的核壳结构Cu纳米丝的制作。采用液相法合成出拥有超高长径比的Cu纳米丝并利用压印技术和真空退火技术制作了Cu纳米丝透明电极，其光电性能良好。接着通过调节生长温度气体流量以及采用液态苯环碳源等方法，研究了石墨烯在铜箔上的低温生长，在不同温度下(1000℃-400℃)成功地在Cu箔上生长出二维石墨烯。通过铜箔胶囊和石英磁力操纵杆装置，解决了Cu纳米丝在高温下的熔化问题，并成功将石墨烯碳膜直接以3D形态紧密地包裹于Cu纳米丝网络，形成一种复合性的核壳结构新材料。这种Cu@G纳米丝透明电极从深紫外到近红外（200～3000 nm）波段都具有平稳的高透光率，方块电阻达到33Ω/sq@95％，超过Cu纳米丝性能(51Ω/sq@93％)，追平传统ITO透明电极，并且在极端条件下仍然具有强抗氧化性和电学稳定性。这些都表明Cu@G纳米丝透明电极在未来的光电子器件中将发挥其潜在优势。
　　二、实现了Cu@G纳米丝网络透明欧姆电极的完整LED制作，并成功点亮芯片。首先，利用自主研制的真空抽滤系统和压印技术以及真空退火技术，成功获得晶片级(2

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光电子器件的发展

1．3 透明电极研究的现状

1．4 新型纳米线材料的应用

1．5 论文框架

第二章 实验方法和表征技术

2．1 实验方法

2．1．1 低压化学气相沉积(LPCVD)

2．1．2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)

2．1．3 二维原子薄膜的转移技术

2．2 表征技术

2．2．1 原子力显微镜(AFM)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 电致发光(EL)

2．2．5 拉曼光谱(Raman)

2．2．6 方块电阻测量

2．2．7 紫外可见分光光度计

2．3 模拟计算方法

2．3．1 第一性原理计算

2．3．2 APSYS简介

第三章 石墨烯3D包裹的核壳结构铜纳米丝

3．1 引言

3．2 超细铜纳米丝合成技术

3．2．1 核壳结构铜纳米丝研究现状及问题

3．2．2 超高长径比Cu纳米丝的合成

3．2．3 Cu纳米丝特性表征

3．3 石墨烯在铜箔上的低温生长

3．3．1 传统石墨烯的CVD生长技术

3．3．2 甲烷前驱体的石墨烯控温生长技术

3．3．3 甲苯前驱体的石墨烯低温生长技术

3．4 石墨烯3D包裹铜纳米丝网络技术

3．4．1 Cu纳米丝的高温熔化问题

3．4．2 铜包胶囊与磁力杆的设计

3．4．3 Cu@G纳米丝结构性能表征

3．4．4 Cu@G纳米丝网络透明电极的光电特性表征

3．5 小结

第四章 Cu@G纳米丝网络透明欧姆电极的LED

4．1 引言

4．2 晶片大尺寸透明电极压印技术

4．2．1 Cu纳米丝透明电极的应用难题

4．2．2 Cu纳米丝网络透明电极的压印技术

4．2．3 大面积及柔性Cu@G纳米丝透明电极的制作

4．3 Cu@G纳米丝尖端放电遂穿模式实现欧姆接触

4．3．1 金属—半导体接触模式

4．3．2 Cu@G纳米丝电极与GaN欧姆接触的实现

4．3．3 纳米丝尖端放电遂穿模式的欧姆接触机制

4．4 Cu@G纳米丝透明电极的GaN基LED

4．4．1 Cu@G纳米丝电极的光刻图形化

4．4．2 Cu@G纳米丝透明欧姆电极的完整GaN基LED制作

4．4．3 新型LED的光电特性

4．5 小结

第五章 GaN纳米柱阵列的MOCVD自催化生长

5．1 引言

5．2 GaN纳米柱的生长模式

5．2．1 汽液固三相(VLS)催化剂生长法

5．2．2 GaN纳米柱阵列模板生长法

5．2．3 GaN纳米柱阵列的自催化生长

5．3 自金属催化方法生长六方GaN纳米柱阵列

5．3．1 连续生长模式

5．3．2 脉冲生长模式(MEE与MMEE)

5．3．3 六方GaN纳米柱的晶体质量与光学特性

5．4 GaN纳米柱的非极性侧壁InN层生长

5．4．1 GaN@InN核壳结构生长难题

5．4．2 GaN侧壁InN的优先形成机制

5．4．3 GaN侧壁浸润层的引入

5．4．4 InN壳层侧壁N原子反常遂穿效应

5．5 小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录 硕士期间发表的论文

致谢