二维硒化锗材料的制备与光电性能表征

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1、学校代码10530学号201510121232分类号O469密级公开硕士学位论文二维硒化锗材料的制备与光电性能表征学位申请人毛鑫指导教师毛宇亮(教授)赵洪泉(研究员)学院名称物理与光电工程学院学科专业电子科学与技术研究方向光电子技术二零一八年五月二十一日Synthesisandphotoelectriccharacterizationoftwo-dimensionalgermaniumselenideCandidateXinMaoSupervisorProfessorYuliangMaoandProf

2、essorHongquanZhaoCollegePhysicsandOptoelectronicsProgramElectronicscienceandtechnologySpecializationOptoelectronictechnologyDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay21th,2018摘要单层硒化锗是一种新型的二维材料，是一种具有宽波段光致发光光谱和复杂的能带结构以及优良的光电特性优的直接带隙半导体材料，在光电

3、领域发展中拥有很好的应用前景。目前仍然缺乏关于少层到单层硒化锗的实验研究，主要的科学挑战是发展控制制备单层薄膜的技术。在本论文中，我们运用机械剥离和激光减薄技术相结合的方法在SiO2/Si衬底上制备出了单层硒化锗材料。开展了对单层硒化锗材料的形貌、拉曼光谱以及荧光光谱的性能表征的工作。原子力显微镜数据表明，减薄样品的激光功率密度为9.6×104W/cm2时，硒化锗样品的平均厚度减薄到1.5nm，接近单层硒化锗的理论计算值。通过拉曼光谱表征发现，硒化锗层厚的变化导致了拉曼峰强度的变化以及拉曼模式峰位的变

4、化。使用荧光光谱仪探测到单层硒化锗分别在波长为589nm、655nm、737nm、830nm、1034nm、1178nm、1314nm和1456nm处出现8个连续荧光光谱峰。结合第一性原理计算，对实验发现的多个光致发光光谱峰进行了能带结构解释，其中部分光谱峰与理论计算得出的带隙值基本符合一致。我们使用了基于密度函数理论的第一原理对多层到单层的硒化锗能带结构进行了计算说明，同时结合硒化锗材料光致发光的实验研究结果，在硒化锗层数由第四层减少至第三层时，硒化锗的能带发生了从间接带隙到直接带隙的跃迁。本文同时

5、研究了热处理对单层硒化锗的荧光光谱的影响，同样采用机械剥离法和激光减薄技术制备了单层硒化锗材料。报道了不同温度(100℃-250℃)热处理对单层硒化锗光致发光光谱的影响。在相同的测量条件下，当热处理温度为200℃时，硒化锗光谱的A激子峰和B激子峰的最大光致发光强度比未经过热处理时增加了两倍，C激子峰的强度增加达到大概84%。与此同时，真空条件下的热处理并没有对A激子、B激子和C激子峰的位置产生影响。通过热处理能够提高单层锗硒化物的荧光量子效率，是未来纳米电子学和光学领域的一种潜在的二维材料。实验也研究

6、了块材硒化锗与单层硒化锗器件的电流、电压和光响应特性，值得注意的是，相比无光照在8mW/cm2的激光照射下，块材硒化锗器件和单层硒化锗器件的光电流分别提高了8.2倍和27.2倍。因此，单层硒化锗器件的光敏性要比块材硒化锗器件高出3.3倍。光响应特性数据表明，当硒化锗厚度减小到单层时，其光电流也随之减小。然而，单层硒化锗器件表现出与块材硒化锗器件相似的快速上升边缘，但它的下降速度更快，这表明单层硒化锗具有高性能的光响应特性。关键词：单层硒化锗；热处理；光致发光；光响应IABSTRACTGermanium

7、selenidemonolayerisanoveltwo-dimensionalmaterialwithwidebandgapandcomplexbandstructure.Itisakindofdirectbandgapsemiconductormaterialwithexcellentphotoelectricproperties.Ithasabrightfutureinthefieldofoptoelectronics.Atpresent,thereisstillalackofbasicexpe

8、rimentalresearchonGeSefromlesslayertomonolayer.Themainchallengeistodevelopthetechnologytocontrolthepreparationofmonolayerfilms.WedemonstratedthepreparationofGeSemonolayeronSiO2/Sisubstratebymechanicalstrippingandlaserthinning.The