基于典型二维材料太赫兹与红外探测器件研究

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1、博士学位论文基于典型二维材料太赫兹与红外探测器件研究作者姓名：刘昌龙指导教师:陈效双研究员王林副研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:理学博士学科专业:微电子学与固体电子学培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月Researchonterahertzandinfrareddetectorsbasedontypicaltwo-dimensionalmaterialsAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofScience

2、sinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMicroelectronicsandSolidelectronicsByChanglongLiuSupervisor:ProfessorXiaoshuangChenLinWangShanghaiInstituteofTechnicalPhysicsChineseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重

3、声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学

4、位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日摘要摘要太赫兹光电子学的研究与应用涉及电磁学、半导体物理学、光电子学、材料科学以及微加工技术等多个学科。太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件之一。本论文主要研究几种典型的二维材料体系的太赫兹探测器件

5、，通过理论模拟、材料生长、器件制备与测试，实现了基于石墨烯与黑磷等二维材料体系的的太赫兹与红外探测，在材料研究基础上，设计深亚波长光电耦合结构增强太赫兹与红外器件的响应性能，探索室温工作的热电子探测器件，提高器件的光电转换效率。本论文主要的创新点与贡献如下：1．零带隙石墨烯是一种非常独特的光电材料，在很宽的光谱范围内受光激发而产生电子-空穴对，而带内光跃迁更使其光吸收范围扩展至远红外和太赫兹波段。在太赫兹探测领域，我们构建天线增强石墨烯材料的太赫兹探测器件，优化设计对数周期天线太赫兹耦合结构，然后

6、，建立系统而完整的器件制备流程。在探索机理过程中，提出太赫兹波段热电子探测机理；然后从调控石墨烯探测与金属修饰石墨烯探测的两个方面解释热电子探测机理，进一步研究石墨烯系列的太赫兹探测器件。实验结果表明，室温下石墨烯探测器具有良好的太赫兹探测性能，可实现宽频、高速、高灵敏度、高信噪的探测，同时可实现调控石墨烯室温响应增强两个数量以上，器件类光导和类光伏工作模式可以相互转换，为集成化的太赫兹探测器件应用的提供指导。2．目前红外波段常规分立式的偏振器件不能满足人们对于实时固态集成偏振探测的需求。我们提出

7、新型高偏振选择集成器件通过石墨烯结合纳米天线光学谐振腔，成功增强石墨烯光伏型偏振红外探测，其中，纳米天线光学谐振腔决定红外探测器具有高偏振选择性，同时增强探测性能；由于石墨烯费米能级可调，有助于提高探测性能，还有望拓展到长波及甚长波探测。实验结果与理论模拟一致，纳米天线光学谐振腔集成石墨烯器件在近红外波探测性能提高18倍，偏振消光比高达11。研究纳米天线谐振腔的光学特性，分析纳米天线谐振腔同时具有有效的电场强度增强与吸收长度增大，可以实现集成器件的强耦合效应，最后，证明光响应来源于热电子效应。I基

8、于典型二维材料太赫兹与红外探测器件研究3．近来，红外探测器件研究集中光响应提高的同时也将响应范围扩展到长波波段，实现对宽光谱可见红外至太赫兹的探测，类石墨烯的材料（黑磷，过渡金属硫化物（TMDC）等）由于其丰富的物理性质与应用潜力而得到了极大的关注。由于黑磷带隙随厚度变化、具有较高的迁移率，使得光谱吸收比石墨烯更优越，我们提出一种天线辅助的黑磷光电场效应管，探测范围从可见红外到太赫兹，具有优良的探测性能。此结构可以消除背栅极结构强反射效应不利于长波光子耦合的缺点。结合天线结构有利于