具有局域等离子体共振和陷光效应增强的近红外光电探测器

摘要

光的调控是制备高性能光电子器件比如太阳能电池和光电探测器最重要的部分。在这项研究中，我们制备了基于锗纳米针阵列和单层石墨烯的高性能近红外光纳米光电探测器，其具有很强的陷光效应。单层石墨烯上修饰的重掺杂氧化铟锡纳米颗粒(ITONPs)在近红外光的照射下具有局域表面等离子体共振(LSPR)的作用。取得成果主要如下:
　　1.本文利用聚苯乙烯纳米球光刻技术在锗的表面形成有序的阵列模板，并结合银-辅助刻蚀的方法成功的在锗表面刻蚀出大面积垂直有序的锗纳米针阵列，随后在阵列上面的石墨烯表面修饰重掺杂的氧化铟锡纳米颗粒。上述的氧化铟锡纳米颗粒是在油胺中使用回流法制备的，并通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等表征和测试方法对氧化铟锡纳米颗粒进行形貌、组分等表征和测试。不同Sn掺杂水平的ITONPs由于LSPR作用，其吸收曲线展现出了很强的吸收峰。与传统的贵金属纳米颗粒通常在可见和紫外光区域具有可调的LSPR不同，现有的重掺杂ITONPs在近红外区域展现出了典型的LSPR，这与近红外探测波段相兼容。
　　2.光电子测试表明修饰了ITONPs的近红外光电探测器具有明显的整流特性，其开启电压在0.3 V。进一步的器件分析揭示器件的性能，包括开光比，响应度和探测率分别为5×104、185 mA/W和2.28×1013 cmHz1/2W-1，远优异于其他类似结构的器件。除此之外，器件可以稳定的监测高达1 MHz的脉冲光，在1550nm波长的光照及零偏压下表现出很快的响应速度（响应/恢复时间为450/460 ns）和很好的重复性（1 Hz-1 MHz开关频率）。基于有限元方法(FEM)的理论模拟揭示器件的高性能不仅是由于锗纳米针阵列具有很强的陷光效应，而且也由于等离子体ITONPs热电子注入的作用。上述实验与理论结果表明所述近红外光探测器在未来光电子器件方面有很多潜在的应用。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 光电探测器的简介与发展

1．2 光电探测器的研究内容

1．2．1 光电探测器的原理

1．2．2 光电探测器的分类

1．2．3 光电探测器的主要指标

1．3 局域表面等离子体共振与陷光效应

1．3．1 氧化铟锡纳米颗粒的介绍

1．3．2 陷光效应

1．4 本课题研究背景与主要内容

第二章 n型锗纳米针阵列制备和石墨烯的合成与转移

2．1 实验所用药品及用途

2．2 聚苯乙烯微球自组装与表征

2．2．1 聚苯乙烯微球自组装方法

2．2．2 聚苯乙烯微球气-液界面自组装

2．3 n型锗纳米针刻蚀与表征

2．4 石墨烯的合成与转移

2．4．1 石墨烯的合成

2．4．2 大面积石墨烯的转移

2．5 本章小结

第三章 具有等离子效应的氧化铟锡纳米颗粒的修饰与表征

3．1 非金属等离子体纳米结构的介绍

3．2 氧化铟锡的修饰与表征

3．3 本章小结

第四章 基于锗纳米针阵列等离子增强的光探测器研究

4．1 基于表面等离子体效应光探测器研究现状

4．1．1 近红外光电探测器的结构表征

4．1．2 结构Ⅰ肖特基结近红外光电探测器的光电特性

4．2 ITONPs@SLG／GeNNs肖特基结近红外光电探测器

4．2．1 光谱分析及肖特基结能带理论分析

4．2．2 光学模拟分析

4．3 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