核壳结构纳米线的可控生长及其光电探测性能研究

• 作 者: 赵帅
• 机 构: 山东大学
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2021年期
• 关键词: 核壳结构纳米线

半导体纳米线由于其大的比表面积、丰富的表面态、高的光吸收效率和独特的电子输运特性，被广泛应用于高性能的纳米电子器件、光电探测器件和光伏器件等领域。为了实现性能更加优异的纳米线器件，核壳结构纳米线应运而生，并得到了广泛的研究和关注。核壳结构纳米线既具有纳米线本身的特点，又兼具核壳不同材料的物理化学特性。此外，核壳结构纳米线的外壳不仅可以起到保护纳米线的作用，还可以调节纳米线的光电特性。因此核壳结构纳米线被视为一种“智能材料”，引领着下一代新型高性能光电子器件的发展。
　　高性能低功耗的光电探测器件无论在民用上还是军事上都具有举足轻重的作用，利用核壳结构纳米线来实现高性能的光电探测器具有重要的研究意义。然而在现阶段，如何合理地选择核壳结构纳米线材料，如何实现核壳结构纳米线可控地生长，以及如何利用核壳结构纳米线实现高性能探测器件，都是目前需要亟待解决的问题。针对以上问题，本论文在核壳结构纳米线的可控生长、结构分析和光电探测性能等方面进行了一系列的研究和探索，主要研究内容如下:
　　1、通过简单的化学气相沉积方法实现了GeS核壳结构纳米线的可控生长。首先，我们设计了一种GeS核壳结构纳米线，并利用化学气相沉积方法成功实现了原位合成。并进一步研究了各种生长参数对核壳结构纳米线生长的影响，研究发现通过增加纳米线的生长时间可以有效地增加GeS核壳结构纳米线的外壳厚度。其次，通过选择不同厚度的催化剂可以进一步对GeS核壳结构纳米线的长度和直径进行调控。通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和X射线能谱分析(EDS)对GeS纳米线的核壳结构进行了研究和分析，发现这种纳米线是由单晶的GeS内核和非晶的富硫壳组成;最后，为了进一步确认核壳结构的组成成分，通过对纳米线刻蚀不同厚度后的X射线光电子能谱(XPS)发现GeS核壳结构纳米线的外壳成分为GeSX，其中S的相对含量由内到外逐渐增加。这些结果为之后其他核壳结构纳米线的可控生长和结构设计提供了思路。
　　2、利用光刻技术将GeS核壳结构纳米线制成了纳米线场效应晶体管(NWFET)，得到了独特的负光电导响应特性，实现了对微弱可见光的高性能探测。首先，利用光刻技术成功地制备了以GeS核壳结构纳米线作为沟道材料的NWFET，并对器件的电学和光电性能进行了深入研究，发现所制备的器件为p型的导电类型，金属半导体接触类型为肖特基接触。其次，通过对其光电特性进行研究，发现器件具有独特的负光电导效应，并且对极微弱的0.04mW·cm-2功率密度的405nm可见光表现出高的响应度(105 A·W-1)和探测率(1012 Jones)，这表明了这种产生负光导效应的核壳结构可实现高灵敏的光电探测。最后，对器件负光导效应的物理机理进行了深入的研究和分析，发现负光导效应主要是由于纳米线外壳中存在的大量空穴陷阱捕获光生空穴导致的。此外，通过对比不同纳米线外壳厚度的器件，分析了核壳结构的外壳对器件性能的影响。总而言之，这些结果揭示了核壳结构纳米线在高性能光电探测器中有着巨大的潜力，为以后新型核壳结构纳米线光电子器件的设计和制备提供了指导。