基于石墨烯—过渡金属硫属化物垂直异质结的电化学沉积制备及其表征

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二维(2D)垂直异质结在电子学和光电子学领域引起了广泛的关注,化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,CVD)已广泛应用于二维垂直异质结构的合成。由于化学反应的性质,制备的垂直异质结尺寸通常比横向异质结构小,二维垂直异质结的尺寸受到限制,严重阻碍了器件的应用和集成。因此急需研究一种可以控制合成高质量的大面积二维垂直异质结的方法。本工作中,在CVD石墨烯上采用电化学沉积(Electrochemical deposition,ECD)获得厚度可控的二硫化钨(Tungsten disulfide,WS2)/石墨烯异质结,并构筑高性能光电探测器,其光响应度达到2.62 A/W,响应时间为49 ms,噪声等效功率(Noise equivalent power,NEP)为3.3×10-~7 WHz-1/2,这得益于沉积在石墨烯上的去耦合二硫化钨薄膜,并得到有助于光生载流子的分离和传输的肖特基势垒高度ΦSB=310 me V和内建电势ΦBi=270 me V,论文主要研究内容如下。首先,本文采用电化学沉积法,以单晶硅为基底,在四氯金酸三水合物(HAu Cl4·3H2O,0.1 m M)水溶液中沉积高度结晶的金薄膜,金箔沿着作为阴极的单晶硅衬底的晶向形成,通过石英晶体微天平定量地得到了薄膜厚度随时间的变化规律,在光照射下在硅和金的界面处形成了一层薄氧化物(Si Ox),然后制备聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)薄层作为支撑材料附着在样品上,用稀释的氢氟酸(HF)刻蚀氧化层,经由自主搭建的转移平台将金箔转移到目标衬底上作为器件电极。其次,在ITO导电玻璃和CVD石墨烯上电化学沉积Mo S2、WS2薄膜,通过原子力显微镜(AFM)对两种衬底和沉积出来的样品表面形貌进行分析,发现ITO表面粗糙度高于石墨烯,并且ITO沉积出的样品表面更为粗糙,导电2D石墨烯具有原子级光滑的表面,没有悬挂键并且在真空或惰性气氛中具有较高的热稳定性,石墨烯无论是作为电化学沉积中的惰性电极还是后续退火过程中的衬底,都是一种优异的材料。最后,在CVD石墨烯薄膜上采用电化学沉积制备厚度可控的WS2,然后优化退火工艺,制备出了WS2/石墨烯高质量二维异质结构,以20 nm厚WS2/石墨烯异质结构筑光电探测器,其光响应率高达2.62 A/W(光源532 nm,1.19μW),响应时间为49 ms,室温下噪声等效功率(NEP)为3.3×10-~7 WHz-1/2,通过开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy,KPFM)表征和对电流电压特性的研究,定量地确定了有助于光生载流子分离和输运的肖特基势垒高度(ΦSB=310 me V)和内建电势(ΦBi=270 me V),传统CVD法制备二维垂直异质结构的尺寸限制在数十微米,这严重阻碍了器件的应用和集成,到目前为止,高质量的二维垂直异质结构的制造在很大程度上依赖于较为精确的机械转移技术,我们的工作为大面积制备高质量WS2/石墨烯异质结构提供了方案,并为其的光电应用提供了关键的电学参数。
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