基于一维半导体微纳结构的柔性光电子器件研究

摘要

一段时期以来，一维微纳材料独特的微观结构及优越的电子传输性能使得其在电子/光电子器件研究领域引起了强烈的关注，各类基于一维纳米结构的电子/光电子器件展现出优良的性能。一维半导体微纳结构的应用已经跨越了从逻辑电子电路、化学传感器、光电探测器、发光二极管到太阳能电池、锂电池等能源器件的非常大的范围。本文系统地研究了几种有代表性的一维半导体微纳结构，详细探究了它们的电子以及光电子性能，并制备出了性能优良的微纳电子/光电子器件，如场效应晶体管、基于SiO2/Si衬底的刚性光探测器和基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底的柔性光探测器。特别地，我们利用选取的材料禁带宽度的不同，分别设计了涵盖紫外、可见和近红外光谱域的光探测器。本研究分为三个部分：
　　第一部：介绍了一种简单而有效的，被称为化学气相沉积（CVD）的方法，来合成锗基三元金属氧化物纳米线。此部分选取了一维Zn2GeO4和In2Ge2O7纳米线作为实例，设计了一系列性能优异的紫外光探测器以及基于单根微纳材料的场效应晶体管器件。此外，通过使用一种被称为“接触印刷”（Contact printing）的工艺，我们成功地将生长得到的无序纳米线组装成均匀有序的纳米线阵列，并对该有序阵列的电子输运及光电响应性能进行了系统的研究，将其性能参数与对应的单根微纳结构的各项性能进行了计较。例如，与使用单根纳米线作为导电沟道的电子器件相比，多通道场效应晶体管在跨导、导通电流、电压可靠性等方面表现更好，其中多通道场效应晶体管的有效迁移率分别为25.44 cm2/Vs和11.9 cm2/Vs以上。对于多导电通道的Zn2GeO4纳米线紫外光电探测器，我们获得较高的响应度（2.11×104 AW-1），高光电导增益（1.034×105）和高量子效率（1.032×107％）；对于基于In2Ge2O7的同类型紫外光探测器，上述参数分别为5.35×104 AW-1，2.58×105和2.617×107%。另外，无规则Ge基多元金属氧化物纳米线的薄膜也可以用来制备薄膜型的紫外光探测器，测试同样证明了其具有稳定的紫外光光电转换特性。
　　第二部分：利用化学气相沉积的手段大规模生长得到了高品质的超长ZnTe纳米线。我们基于单晶ZnTe纳米线制备的场效应晶体管显示出明显的p型导电性，其有效迁移率达到11.3 cm2/Vs。单根 ZnTe纳米线基可见光电探测器在刚性SiO2/Si基底和柔性PET基底上也分别被制备出来。刚性光探测器件显示出极高的灵敏度和优异的稳定性，对于波长532 nm的可见入射光其响应度和量子效率分别达到了1.87×105 AW-1和4.36×107%。特别地，该ZnTe基纳米线探测器对入射光的偏振状态显示了很高的灵敏度，同时在高达250 oC的高温状态下仍能够非常稳定地工作。柔性ZnTe光探测器被证实在4 mm曲率半径的弯曲状态及反复的弯折测试后，仍能够保持非常稳定的响应。我们的表征及性能测试结果表明，一维 ZnTe微纳结构可以作为大规模、低成本制备新型光电子器件尤其是柔性光电子器件的重要候选材料结构。我们的实验还证明，p型半导体微纳材料同样可以结合其优异的柔韧性和透明度高的特点，制备一系列实用新型的纳米电子/微电子器件及装置。
　　第三部分：选择具有较窄禁带宽度的化合物InAs作为目标材料。结合一维InAs纳米线均匀的几何结构与优越的物理/化学特性，尤其是超高载流子迁移率的特点，制备出性能优异，响应稳定的可见-近红外光探测器。测试表明，基于InAs一维微纳结构的光探测器对从300 nm到1100 nm的宽光谱范围的入射光具有非常灵敏的光响应特性。对可见部分光的入射光，其峰值响应度、峰值外量子效率和器件的归一化探测率分别为4.4×103 AW-1，1.03×106％及2.6×1011 Jones。该器件还显示了对波长808 nm和980 nm的近红外连续光以及频率5 Hz，波长1064 nm的脉冲激光具有快速、可逆且稳定的光响应。通过三维时域有限差分（FDTD）的计算方法，我们从理论建模计算的角度研究了该器件的光吸收和内场强的分布情况，阐明了提高器件光响应的内在机制。此章节的工作表明，包括单根半导体微纳结构和组装得到有序一维半导体微纳结构；从宽禁带到窄禁带的各种微纳材料，都可以在下一代高性能的电子/微电子器件，尤其是具有柔性可穿戴特性的微纳器件及设备中得到广泛的应用。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 一维半导体微纳结构的合成

1.3 一维半导体微纳结构的可控排列

1.4 一维半导体微纳结构在柔性电子/光电子器件中的应用及研究进展

1.5 本文的研究目的与研究内容

2 Ge基三元金属氧化物一维纳米结构的电学及紫外光探测性

2.1 引言

2.2 Zn2GeO4和In2Ge2O7一维纳米结构的合成及其光电器件制备

2.3 Zn2GeO4和In2Ge2O7一维纳米结构的表征及其电学、紫外光探测性能研究

2.4本章小结

3 ZnTe一维纳米结构的电学及可见光探测性能研究

3.1 引言

3.2 ZnTe一维纳米结构的合成及其光电器件制备

3.3 ZnTe一维纳米结构的表征及其电学、紫外光探测性能研究

3.4本章小结

4 InAs一维纳米结构的电学及近红外光探测性能研究

4.1 引言

4.2 InAs一维纳米结构的合成及其光电器件制备

4.3 InAs一维纳米结构的表征及其宽光谱光探测性能研究

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

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