一种表面等离子体增强的近红外光电探测器的设计与研究

摘要

近些年来，贵金属（如金、银）纳米结构已经被广泛采用来增加各类光电器件的性能，如光伏器件，光电探测器，波导器件等。作为传统贵金属的可替代物，普通金属（如铜，铝等）由于具有相对低廉的制备成本及可协调的等离子体波长等优点，基于它们的表面等离子体光电器件也受到越来越多研究者的兴趣。大量的研究报道表明，等离子体纳米结构与半导体结合是改善各种光电器件性能的可靠途径。此外，高度局域的电磁场能产生大量的电子-空穴对，并能越过势垒从等离子体材料注入到半导体材料中，从而增强光电流。所以在本文中，我们提出了一种新的基于等离子铜纳米颗粒阵列修饰的石墨烯/硒化镉纳米带肖特基结近红外光电探测器。
　　文中，我们通过有限元法对铜纳米颗粒阵列的光学特性进行了理论模拟，发现当铜纳米颗粒阵列的尺寸改变时，其等离子体特性也会呈现差异。并随着颗粒边长和厚度的变化，铜纳米颗粒阵列在700到900nm范围呈现很明显的局域表面等离子体共振效应。通过对修饰铜纳米颗粒阵列前后的石墨烯/硒化镉纳米带肖特基结近红外光电探测器的光电性能进行对比分析，我们发现修饰了铜纳米颗粒阵列后，器件的光电流从0.124增大到3.1mA，增强了将近24倍。此外，其他的器件参数（比如响应度、增益）也得到了相应的提高。结合有限元法的理论模拟，我们发现器件性能的优化主要得益于LSPR诱导的热电子注入效应。这些研究结果表明等离子体铜纳米颗粒阵列是提高纳米光电器件光电性能的非常有潜力的候选者。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 红外光电探测器的发展

1．2 红外光电探测器的结构分类与原理

1．2．1 光电导型光电探测器

1．2．2 PN结型光电探测器

1．2．3 肖特基结型红外光电探测器

1．2．4 雪崩光电二极管(APD)

1．2．5 PIN型红外光电探测器

1．2．6 量子阱红外探测器

1．3 红外光电探测器的特性参数

1．3．1 光学吸收

1．3．2 暗电流

1．3．3 响应频率和响应时间

1．3．4 响应度和信号的响应度

1．3．5 归一化探测率(D*)

1．4 表面等离子体技术在光电探测器上的潜在应用价值

1．5 本课题研究背景和意义

第二章 铜纳米颗粒的制备及其光学性质

2．1 铜纳米颗粒阵列的制备

2．1．1 纳米球蚀刻技术及其发展

2．1．2 纳米球掩膜板的制备

2．1．3 铜纳米颗粒阵列的制备与表征

2．2 铜纳米颗粒阵列的表面等离子体

2．2．1 表面等离子体的介绍

2．2．2 铜纳米颗粒阵列的表面等离子体共振

2．3 基于有限元理论模拟不同尺寸铜纳米颗粒阵列的吸收光谱特性

2．3．1 有限元理论模拟的介绍

2．3．2 基于有限元的方法理论模拟铜纳米颗粒阵列的吸收光谱特性

2．4 本章小结

第三章 基于石墨烯电极的红外光电探测器的研究

3．1 引言

3．2 器件的制备

3．2．1 实验材料和药品

3．2．2 实验仪器及设备

3．2．3 实验过程

3．3 器件的光电学性能的表征

3．4 器件的光电特性分析

3．5 本章小结

第四章 基于铜纳米颗粒阵列修饰的石墨烯／硒化镉纳米带肖特基结光电探测器的研究

4．1 器件的制备

4．1．1 实验材料和药品

4．1．2 实验仪器及设备

4．1．3 实验过程

4．2 器件的光电特性

4．3 器件的光电特性分析

4．4 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况