石墨烯纳米网的可控制备及其红外探测性能研究

In view of the existing problems such as low electron mobility, low operating temperature, complicated preparation processes, etc. of inorganic semiconductors based infrared detectors, this project explores the fabrication of infrared detector based on graphene nanomesh on Si/SiO2 substrate. We expect to use ultra-thin porous TiO2 arrays membrane as etching mask to prepare graphene nanomesh. The method can adjust the structural parameters and band gap of graphene nanomesh effectively by controlling the structural parameters of porous TiO2 arrays membranes, and thus would realize performance optimization and design of graphene nanomesh based infrared detector according to the needs. We systematically study the impact of the prepared graphene nanomesh on the performance of infrared detector, reveal the the relationship between the structural parameters of graphene nanomesh and the performance of infrared detector, and determine the structural parameters needed for high-performance graphene nanomesh based infrared detector. Smooth implementation of this project, not only has important academic significance but also provides new material and new method for high-performance infrared detector.

针对目前无机半导体型红外探测器存在的电子迁移率低、工作温度低、制备工艺复杂等问题，本项目探索在二氧化硅/硅基体上制备石墨烯纳米网红外探测器。以超薄TiO2孔阵列薄膜为掩膜，实现二氧化硅/硅基体上大面积石墨烯纳米网的制备。可控调节石墨烯纳米网的结构参数以调控其带隙，进而实现石墨烯基红外探测器件的性能优化和按需设计。研究所获得的石墨烯纳米网对光电响应性能的影响，揭示石墨烯纳米网的结构参数与红外光电响应性能之间的关系；确定实现高性能红外探测所需的结构参数。本项目的开展，不仅具有重要的学术意义，而且将为高性能红外探测器提供新的材料和方法。

探索和发展基于新型材料的高性能红外探测器一直是红外探测技术和材料科学领域研究的前沿和热点。石墨烯是零带隙材料，要将其用于红外探测，需要使其带隙打开。将石墨烯制备成纳米带或纳米网等结构是打开带隙的一种有效手段。. 本项目的主要研究内容是：1. 在二氧化硅/硅基底上制备单层石墨烯纳米网，并对其结构参数进行调控和优化；2.基于石墨烯纳米网构建红外光电探测器件，研究石墨烯纳米网的结构参数、红外温度、工作电压及不同红外光波长对红外光电响应性能的影响。. 在项目研究的时间段内，我们紧紧围绕申请书所列的研究内容开展工作。我们以二氧化钛纳米孔膜以及ZnS多孔膜为掩膜，用氧等离子体刻蚀法制备出了孔径均一、有序的石墨烯纳米网，并实现了石墨烯纳米网带宽的调控。将石墨烯纳米网制备成红外辐射探测器原理型器件，研究表明石墨烯纳米网红外辐射探测器原理型器件在77.3K-300K的温度范围内，对红外辐射都有响应。研究了石墨烯纳米网红外辐射探测器原理型器件对不同波长单色光的响应，结果表明该红外辐射探测器对波长分别为1470nm、1550nm、2000nm、3000nm和5000nm的单色光都有响应。在温度为150K，入射光波长为2000nm时，光响应率和外部量子效应随着偏压的增大而增大。在偏压为10V时，光响应率和外部量子效率分别为4.71A/W和292.58%。探测率(D*)随着偏压的变化而变化，在偏压为7V时，探测率达到最大，为5.59×1011cmHz1/2/W。该红外探测器对波长大于850nm的宽波段红外光均有响应，光电流随着偏压或光功率的增大而增大。. 该项研究工作有望将基于石墨烯纳米网的红外辐射探测器向实际应用推进。