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摘 要

本课题研究的主题是基于光电晶体管（phototransistor）实现高增益光电转换器件的研究。具体着眼在探讨通过制备和选用合适的配位基实现在石墨烯网格和量子点交界面处的载流子的高效传输。

光电晶体管是光电探测器的一种类型，其特点是该晶体管的栅极具有光可控的特性。而石墨烯是一种在光电子和光探测领域非常受关注的材料,主要是因为它所具有的较广的光谱带宽和极快的反应速度。通过结合高电子迁移率的石墨烯和高光电吸收能力的胶质量子点，可以在一定程度上形成优势互补的特性，从而制造出高增益同时又高速的光电转换器件。

针对不同的配位基，测定它们对于光电转换效率的影响，这是目前其他实验组在混合型石墨烯量子点器件领域从未有做过的事情，论文针对这一空白领域进行了专门的研究，对于该结构器件性能的潜力作出了进一步的论证。论文最后指出，通过制备和选取以隧穿效应为电荷转移原理且分子链足够短小的非电活性配位基，可以使得论文所述的混合型光电转换场效应管的电荷传输效率提高的同时也保证具有较高的光电响应速度，从而为论文所述的混合型石墨烯量子点光电转换器件在未来工业领域的大规模制造提供一定的实验和理论上的支持。

关键词：石墨烯，量子点，光电晶体管，配位基，量子隧穿

Abstract

Graphene-based photodetectors, as highly desired devices for various applications from telecommunication, biological imaging to remote sensing^1-4, are regarded as atomic layer two-dimensional (2D) material featuring unprecedented electric and optical properties. Especially, based on the research of the graphene-based photodetector, many recent works concentrated on increasing the responsivity, response (measured) time and operation wavelength.

Graphene nanomesh (GNM)-based optoelectronics integrated with quantum dots(QDs) is investigated in this article. The charge transfer mechanism in the QDs/GNM interface is probed in the four terminals gated FET-type photodetectors. And the insulating ligand was used to make the GNM/ligand/QDs vertically behave like a metal/insulate/semiconductor (MIS) structure to facilitate the charge tunneling. With the current constraint effect of the GNM and the effective charge tunneling, a high-performance photodetector is fabricated with higher responsivity, higher on/off ratio and shorter response time. Our analysis result and experimental approach can be extended to future Graphene-based photodetectors as long as suitable ligands or effective device architecture is chosen for this kind of device.

Key words：graphene; quantum dots; phototransistor; ligand; charge tunneling

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 论文的研究目的和主要研究内容 2

第二章 混合型光电晶体管的性能与原理 4

2.1 混合型光电晶体管基本结构 4

2.2 混合型光电晶体管的工作原理 5

2.3 混合型光电晶体管器件性能的进一步改进 5

2.3.1 通过重置脉冲电流提高器件响应速度 5

2.3.2 通过改变石墨烯结构抑制暗电流 7

第三章 实验材料制备步骤与流程 8

3.1制作石墨烯网格 8

3.1.1单层石墨烯的制备 8

3.1.2使用电化学法合成阳极氧化铝掩层 8

3.1.3石墨烯网格场效应晶体管器件的制备 8

3.2量子点上的配位基交换 9

3.2测量仪器 9

第四章 研究配位基对界面载流子传输效率的影响 10

4.1 界面载流子传输效率的研究背景 10

4.2石墨烯网格场效应晶体管的特性 11

4.2.1 石墨烯网格场效应晶体管器件制作过程与石墨烯网格沟道形态 11

4.2.2转移特性曲线 12

4.3石墨烯网格光电探测器的光电触发特性 12

4.3.1 荧光衰减特性与无栅压时的电荷传输机制 12

4.3.2 石墨烯网格/量子点场效应光电晶体管的光电特性 15

4.4电荷隧穿和迁移的机理以及器件的性能和特性 16

4.4.1 电子传输机理 16

4.4.2 器件的光电响应特性 18

第五章 结论与总结 20

致 谢 21

参考文献 22

第一章 绪 论

1.1 引言

因为具有较广的光谱带宽和极快的反应速度，石墨烯是一种在光电子和光探测领域非常受关注的材料。然而，弱光条件下的吸收能力和有效增益机制(有效增益机制是指吸收一个光子时能产生多个载流子的机制)的缺失却将基于石墨烯的光电探测器的响应率限制在了约10^-2AW^-1的较低水平。2012年，在Nature杂志上刊登了一篇论文，实现了一种由单层量子点胶状薄膜覆盖的，混合着单层或双层石墨烯的光电探测器件，该器件每吸收一个光子就具有约108个电子的增益率，且其响应率达到了10^-2AW^-1。在量子点层中强烈且可调制的光吸收能力可以产生电子电荷,这种电荷传输到石墨烯层中去，并因为石墨烯层中石墨烯的高电子迁移率和量子点层中被困电荷具有的较长的生命周期的原因而在电路中循环多次。受益于受栅极控制的灵敏度和速度，该器件具有7*10¹³ Jones的探测能力，光谱感应范围从近红外覆盖到可见光波段，并且兼容现有的电路制造工艺。

目前，高速发展的基于石墨烯的光电探测器件关注的是提高石墨烯的光吸收能力，比如利用热电效应，金属等离子体，石墨烯等离子以及微穴结构。然而，超高灵敏度的石墨烯基光电探测器件的关键在于实现光电导的增益，使得每吸收一个光子就能产生大量的载流子。但是至今为止，石墨烯基的光电探测器件并没有实现增益。超高灵敏度光电探测器件的增益曾经通过雪崩光电二极管和光电倍增器件实现，然而这些器件需要采用高的偏置并且是与现有的CMOS制造工艺不兼容的体型构造。光电晶体管是光电探测器的一种类型，其特点是该晶体管的栅极具有光可控的特性。近来有报道称光电晶体管结构实现了在可见光及短波红外波段的超高响应度，使用的是在二维电子气中利用III-V族原子外延生长的量子点；但是这是运行在4K的极低温度下实现的，不具有可行性。异质结光电晶体管和基于III-V族半导体材料的光场效应晶体管器件同样被报道实现了1*10² 至 1*10³ 的增益，且增益带宽积达到了1 * 10⁸ HZ的级别。这些器件都依赖III-V族半导体材料的外延生长，因而减小了它们在CMOS电子制造工艺中的单片集成能力，阻碍了它们在高灵敏度探测和图像系统中被使用的可能。有报道指出，1*10² 至 1*10³ 的光电增益率在一种胶状量子点光电探测器件中被观察到，然而这种增益因为胶状量子点层相对较低的载流子迁移率而被限制（1*10²³ 到 1 cm² V^-1 s^-1）。

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