二维In2Se3基柔性光电探测器单元的制备及其性能研究

)其中Id为暗电流。表SEQ表\*ARABIC1重要参数光响应率评价PDs性能好坏光应率越大，PDs性能越好光电导增益电场对光生载流子加速形成的外部电流与光电子形成的内部电流之比光电导增益越大，PDs性能越好内部量子效率产生的电子数与所有吸收的光子数之比量子效率与PDs性能成正比，是评价PDs的量要性能参数外部量子效率产生的电子数与所有入射的光子数之比响应时间最大电流的10%和90之间变化时间评价PDs的参数，响应时间越短越好比探测率PDs单位面积和1H测量带宽的探测率反映了探测光信号强弱的能力，D越大，器件探测弱能力越强

二维材料光电探测器的制备及表征二维材料的制备方法随着科研人员对二维材料研究兴趣的不断加深，发展高产率制备大面积薄层二维材料的方法对进一步研究其物理、化学、电学和光学性质以及探索其潜在应用等都十分重要[4]。机械剥离法最原始的获得薄层二维材料的方法是当时发现石墨烯时使用的方法[14]——机械剥离法。机械剥离法是使用透明胶带剥离层状晶体以获得薄的二维材料的常用方法。方法是对透明胶带施加的机械力来减弱晶体层与层之间的相互作用，使得层与层之间易于分离，并且保护层内的化学键。机械剥离法的基本工艺是取出小片硒化铟粘在透明胶带上，然后将胶带对折，以获得厚度适中的薄片。从理论上讲，这种方法可以得到我们所需要的理想厚度的二维纳米材料[15]。该策略基本上适用于所有二维分层材料，并且是制备薄二维材料的最简单方法。另外，该方法采用高质量的二维单晶材料，机械剪切力在机械剥离过程中几乎不会对材料的电子结构和结晶度造成任何损害，因此也是二维材料在所有制备方法中获得最好的质量方法。但是该手段获得的二维材料尺寸一般在50微米以下，不能应用在工业的大规模制备上。液相剥离法分散于液体介质中的块体单晶上施加适当的机械力，便可以在液相中剥离超薄2Ｄ纳米片。液相剥离法也分为好多种，其中最常见的是超声辅助液相剥离法。将块体单晶分散在特定溶剂中，然后对其进行一定时间的超声处理，然后通过离心分离得到纳米片悬浮液。其原理是超声处理引起液体空化，从而在液体中产生气泡，当气泡破裂时会产生相应的冲击波穿过液体中的晶体，故而在层状晶体上将产生相应的拉伸应力，导致晶体层与层之间分离，得到2D纳米片[12,13]。化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后使他们相互发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上得到二维材料。通过化学气相沉积法方法可以得到具有有限缺陷且具有可扩展尺寸和可控厚度的二维纳米材料，其生产率高，可以实现工业规模的生产，但目前仍然存在一些缺点[5]。使用CVD方法得到的样品沉积在衬底上需要进行进一步的转移，过程中难免引入一些杂质。另外，此方法需要用到高温和惰性气体，成本较高。且面临较多问题：1.具有强力耦合的材料在热力学平衡下以三维形式存在。如何抑制其热力学增长并限制其纵向生长是合成超薄甚至单层材料的研究难点。2.如何避免不可控制的过度成核是制备大面积二维材料的关键。3.由于晶格失配和晶体平面的结合能不同，样品在不同方向上的生长速率也不同，因此难以控制层数，形态，取向等[11]。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11化学气相沉积法装置系统示意图纳米片的形貌表征方法介绍二维材料由于其原子级的厚度，其表面态和电子结构与三维材料有很大的不同，因此对不同条件下制备的二维材料的厚度、形貌、表面态、电子结构进行有效的表征，可以得到“生长-结构-效应”的关系，对二维材料的科学研究很有必要。随着科学技术的发展，已经形成了一整套的测试仪器与测试方法，可以对二维材料的结构与物理性质进行有效的表征。光学显微镜在光学显微镜下我们可以观察薄层二维材料的位置，形状和厚度等，选取我们所需要的样品，这种表征方法基于各种界面处反射光的干涉。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12光学显微镜示意图样品的存在干扰了光路和透明度，产生了衬底与二维薄膜材料之间光学对比度的差异。光学显微镜常被用于薄层二维材料的基本形貌观察，并可以根据样品颜色大致估计薄层二维材料的厚度。这种表征方法可以快速大规模的检测样品，并且不会造成破坏。原子力显微镜原子力显微镜啊(AFM)主要是用来测量薄层二维材料的厚度及表面平整度，我们需要得到厚度均匀在100到150微米之间并且二维材料表面均匀的。AFM的工作原理是通过微小探针与待测样品之间的相互作用力，获得待测样品的物理图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s13原子力显微镜示意图特性。原子力显微镜作为一种高分辨率的成像表征工具，还拥有很多有价值的应用。AFM能够轻易的测量原子台阶厚度以及原子晶格结构来表征二维材料，还可以对材料的整体图像进行一个分析，得到材料表面的形貌甚至可以对形貌进行三维图像的模拟[11]。另外，通过AFM对二维材料的分析，可以得到材料的粗糙度，颗粒度，孔径分布等参数。此外，AFM可以从纳米尺度表征材料的电学，机械和功能特性，包括材料的电导率，压电响应，硬度，弹性和附着力。扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)是一种广泛使用的技术，可用于表征固体材料的形态和表面结构。在SEM中，使用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子和样品表面之间的相互作用产生二次电子、背散射电子、俄歇电子等，尤其是会产生较多二次电子。之后经信号器对这些电子进行收集和处理，得到相应的数字图像并可以对样品表面或断口形貌进行观察和分析。此外，景深是光学显微镜的300倍，并且可以清晰观察到复杂而粗糙的样品表面。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s14扫描电子显微镜硒化铟的基本性质硒化铟的间接光学带隙和间接带隙分别为1.2~1.5eV和1.0~1.1eV，这与太阳辐射中的可见光具有良好的光谱匹配。单层硒化铟是强压电材料，具有比广泛应用于工业的MoS2、GaSe、块状石英、AlN等二维材料大1到2个数量级的压电系数。如REF_Ref41146838\h表2硒化铟和其他单硫化合物带隙比较。硒化铟具有柔性的特点，能够承受巨大的应变，具有巨大的压电性。其所属第四族单层单硫化合物带隙在1~2eV之间，包括可见光和近红外，可用于光电探测领域，。其晶体结构为正交晶系，有畸变的NaCl型结构，晶格常数a=11.18Å,b=3.98Å,c=4.32Å。表SEQ表\*ARABIC2单层第四族单硫化合物带隙MonolayerDFTcalculationMateriala()b()Indirectgap(eV)Directgap(eV)GeS4.483.621.231.36GeSe4.273.921.041.10SnS4.264.031.371.51SnSe4.354.240.770.92硒化铟纳米片单元制备的方法和步骤柔性基底的处理将柔性基底切成成规格为1cm×1cm，依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10分钟，洗干净后使用氮气枪吹干待用。1.剪下一段胶带，取一下片硒化铟放在胶带上，将带有样品的部分来回对折数次，使得材料逐层变薄。2.将柔性基底粗糙面和光滑面的保护膜撕下，将粗糙面对准样品中心按压，用玻璃棒反复碾压数次。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s15原子力显微镜成像结果（未改进）制备过程中发现纳米片厚度集中在50-100nm，而且基底上残余胶量较多3.在粘有胶带的下面放上载玻片，打开加热台，将样品放置在加热台上进行加热。4.从加热台上取下样品，用镊子沿45°角缓慢的将样品撕下来，保存。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s16原子力显微镜成像结果（改进后）制备手法改进后，厚度集中在20-30nm左右，表面相对平整。机械剥离法的优化：制备过程中发现纳米片厚度集中在50-100微米，而且基底上残余胶量较多，经查阅相关资料并与同学交流学习后，更改制备手法，将基底与胶带放在加热台80℃加热20s后，沿斜45°撕去胶带，可以使纳米片厚度集中且减少残余胶量。小型离子溅射仪镀电极1.样品放到正中间盖上盖子，排气阀顺时针关闭。检查电流旋钮要顺时针归零，机器右侧电源打开。2.抽真空到8按红色开始按钮，旋转电流到2微安（一个小格），自动滴一声，迅速将电流调到零，按一下绿色复位按钮，再按红色开始按钮，再将电流调到2微安，重复镀6次。3.先将抽真空机器关闭，排气阀打开，关闭总电源，取出样品。

硒化铟柔性光电探测器的性能研究单一实验数据分析压缩半径R=6.528cm时，图3.1(A)是在光强为28.8mW/cm2时，不施加压力时电流随电压的变化，图3.1(B)时在光强为28.8mW/cm2时，施加压力时电流随电压的变化。图3.1(C)表示施加不同的压力时，会对光电效应产生影响。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11单一实验多样实验数据分析图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12基于硒化铟纳米薄片的柔性晶体管的示意图和光学显微照片PET为柔性基底，两边镀上金电极，中间为硒化铟。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13(A)在不同照明强度下基于硒化铟的柔性晶体管中的电传输。(B)基于硒化铟的柔性晶体管对照明/暗电流的响应。在我们的实验中，所施加的应变被限制在−0.214–0.26％，来避免样品滑动。在测量由应变调制的柔性晶体管中的光响应之前，应研究未施加应变的器件中的光响应，如图3.3(A)所示，在不同照明强度下测得的Ids-Vds曲线。很明显，当施加电压为3V时，总电流(Ids）从暗处的约4.87μA显着增加到0.86mW/cm2照明下的约5.71μA。当基于In2Se3的柔性晶体管在3V偏置电压下无应变时，基于In2Se3的柔性晶体管的电流响应，如图3.3(B)所示，高电流状态处于照明条件和低电流状态处于黑暗状态。光电流Iph是通过Iph=Ilight,total–Idark获得的；它显示出良好的线性度，即使在高功率水平下也没有饱和。测量光响应率非常重要，因为它直接反映了器件对入射光功率的灵敏度[7]。在这里，我们使用光敏性的一般定义，R=Iph/P，其中P是柔性晶体管上的照明功率。柔性晶体管在a时达到33A/W(Vds=3V)的光敏性当光学照明强度到达54μW/cm2。当不施加应变时，基于硒化铟的柔性晶体管中的光响应。图片A表示无压力情况下，光照强度越大，载流子迁移率就会越高，对应的线段就更加陡峭，在同一个电压下，光电流强度的增加部分为上下直线的增加部分。图片B表示在无压力，同一光照强度下，光电子的响应率，理想情况下每个拐点应该呈现90度，其响应速率打到最大，并且红线的纵轴越高，表示光电子的强度越大。图3.4(A)表示出了在具有不同光学照明强度的基于In2Se3的柔性晶体管中在机械应变下的电传输。它们呈现出强烈的Ids应变依赖性。图3.7显示了在不同应变条件下，光照/和黑暗基于In2Se3的柔性晶体管的电流响应(Vds=3V)。为了深入分析机理，图3.4A中显示了在机械应变下基于In2Se3的柔性晶体管的Ids-Vds曲线。当没有照明打开时，可以清楚地看到暗电流对应变的依赖性。我们还绘制了在不同照明强度（Vds=3V）下具有应变的光电流，如图3.4(B,C)所示[7]。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14不同应变条件下基于In2Se3的柔性晶体管中的压电响应。(A)在黑暗中基于In2Se3的柔性晶体管中的电传输。(B,C）当光学照明强度为454μW/cm2和12.99mW/cm2时，基于In2Se3的柔性晶体管中的光电流。(D)当光学照明强度不同时，在应变下的基于In2Se3的柔性晶体管中的光电流。这些结果表明，IP应变确实对基于In2Se3的柔性晶体管的光电流有很大的影响。在图3.4(D)中显示了基于In2Se3的柔性晶体管中的光电流与应变的关系，该应变随不同的光学照明强度(Vds=3V)而变化。随着光学照明强度的增加，光电流显着增加，并且在固定的光学照明强度下，压缩应变可以促进光电流。正如先前针对基于2D材料的光电探测器所发表的那样，总是提出了压电效应和压阻效应这两种效应来解释应变调制的传输和光电探测行为[9,11]。在压电效应中，应变会在金属-半导体-金属界面感应极化电荷，并可能有效地影响光生载流子的分离和传输。在压阻效应中，应变会影响能带结构和载流子态密度[10]。如图3.4(D)所示，当以低光学照明强度施加压缩应变时，光电流增加。然而，当光强度低时，光电流首先随着拉伸应变的增加而降低，然后随着拉伸应变的进一步增加而增加。当光学照明强度足够大时，施加拉伸应变时光电流降低。看起来该设备可能在压缩应变下达到了优化的光电效应[7]。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15应变下基于In2Se3的柔性晶体管中的电传输。应变为（A）0.214％，（B）0.15％，（C）0.174％和（D）0.26％。它们显示出了在具有不同光学照明强度的基于硒化铟的柔性晶体管中在机械应变下的电传输，它们呈现出Ids的强烈应变依赖性。对比四幅图可以发现，随着应变的持续增加，压电性能得到很好的呈现[7]。实验的设计还存在一些不足，需要改进设计和研究，没有对器件机械耐受性的研究，不知道在极限情况下硒化铟的压电性能如何变化。因为晶体结构的褶皱结构导致电子在扶手椅和Z字形方向迁移率不同，导致硒化铟在这两个方向的迁移率有差距，因此对器件的制备有了更高的要求。

总结和展望本文使用了机械剥离法制备薄层In2Se3，将其制作成晶体管并测试其光电学性能。获得高质量In2Se3单晶是后续研究的基础，得到了高质量单晶的条件是在粘有胶带的下面放上载玻片，打开加热台，将样品放置在加热台上进行加热，并且控制好薄膜的厚度。已经证明了基于应变调制的基于In2Se3的柔性晶体管。根据实验结果，证明了应变引起的极化和应变引起的载流子迁移率具有很大的调制性能，这是载流子迁移率调制与局部带状谱倾斜引起的竞争机制。我们的工作可能会提供一种了解应变调制柔性功能光电器件的方法。In2Se3晶体结构的褶皱结构导致电子在这两个方向迁移率不同。这是因为电子有效质量ma(扶手椅方向)和mz(Z字形方向)的不同，导致迁移率的差距，这可以用来解释这两个样品在相同源漏电压下产生不同的电流大小。就剥离而言，机械剥离法下In2Se3的产率和面积不足，可以采用金辅助剥离法可以进行有效地提高，但是通过剥离方法得到的薄层样品具有随机性，无法实现对薄层厚度的控制。最后，在器件性能方面，薄层场效应晶体管的迁移率很低。可通过介电层材料的调整、电极与沟道间接触的优化以及沟道表面的改性等方法提升器件的性能，这尚需进一步的探究。参考文献[1]HuangW,GanL,LiH,etal.2DlayeredgroupIIIAmetalchalcogenides:synthesis,propertiesandapplicationsinelectronicsandoptoelectronics[J].CrystEngComm,2016,18(22):3968-3984.[2]李亮,皮乐晶,李会巧,二维半导体光电探测器:发展，机遇和挑战[J].科学通报,2017,62(27):3134-3153.[3]BuscemaM,IslandJO,GroenendijkDJ,etal.Photocurrentgenerationwithtwo-dimensionalvanderWaalssemiconductors[J].ChemicalSocietyReviews,2015,44(11):3691-3718.[4]王丹.新型二维材料硒化铟单晶和薄膜的制备及其电学性能的研究[D].浙江大学,2019.[5]晏超贻.新型二维材料及异质结的可控制备和性能研究[D].电子科技大学,2019.[6]ZhouX,ZhangQ,GanL.BoomingdevelopmentofgroupIV–VIsemiconductors:Freshbloodof2Dfamily.AdvSci,2016,3:1600177.[7]PengfeiHou,YangLv,YunChen,ACSAppliedElectronicMaterials20202(1),140-146.[8]傅强,包信和.石墨烯的化学研究进展[J].科学通报,2009,54(18):2657-2666.[9]PanZ,PengW,LiF,etal.Carrierconcentration-dependentpiezotronicandpiezo-phototroniceffectsinZnOthin-filmtransistor[J].Nanoenergy,2018,49:529-537.[10]WuW,WangL,YuR,etal.PiezophototronicEffectinSingle‐Atomic‐LayerMoS2forStrain‐GatedFlexibleOptoelectronics[J].AdvancedMaterials,2016,28(38):8463-8468.[11]XueF,ZhangJ,HuW,etal.Multidirectionpiezoelectricityinmono-andmultilayeredhexagonalα-In2Se3[J].ACSnano,2018,12(5):4976-4983.[12]LotyaM,HernandezY,KingPJ,etal.Liquidphaseproductionofgraphenebyexfoliationofgraphiteinsurfactant/watersolutions[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2009,131(10):3611-3620.[13]HanlonD,BackesC,DohertyE,etal.Liquidexfoliationofsolvent-stabilizedfew-layerblackphosphorusforapplicationsbeyondelectronics[J].Naturecommunications,2015,6(1):1-11.[14]YiM,ShenZ.Areviewonmechanicalexfoliationforthescalableproductionofgraphene[J].JournalofMaterialsChemistryA,2015,3(22):11700-11715.[15]SplendianiA,SunL,ZhangY,etal.EmergingphotoluminescenceinmonolayerMoS2[J].Nanoletters,2010,10(4):1271-1275.[16]GeimAK,NovoselovKS.Theriseofgraphene[M]//Nanoscienceandtechnology:acollectionofreviewsfromnaturejournals.2010:11-19.[17]BergerC,SongZ,LiX,etal.Electronicconfinementandcoherenceinpatternedepitaxialgraphene[J].Science,2006,312(5777):1191-1196.[18]LuJ,LiuH,TokES,etal.Interactionsbetweenlasersandtwo-dimensionaltransitionmetaldichalcogenides[J].ChemicalSocietyReviews,2016,45(9):2494-2515.[19]WangQH,Kalantar-ZadehK,KisA,etal.Electronicsandoptoelectronicsoftwo-dimensionaltransitionmetaldichalcogenides[J].Natu