锗量子点/石墨烯复合材料的制备及其界面电荷转移特性研究

Germanium quantum dots (QDs) with infrared optical activity and large exciton Bohr radius has important research value in the field of infrared optoelectronic materials. For high mobility and large specific surface area, graphene has broad application prospect for composite functional materials. The hybrid integration of quantum dot and graphene, which take full advantage of synergistic effect, can develop new type functional nano-composite and fabricate novel optoelectronic devices. Basing on the self-assembling growth technique, we propose a new idea for Ge QD growth on graphene virtual substrate with QD size homogeneous and tunable as well as high crystalline, grow hybrid of quantum dot and graphene, and then research its growth mechanism and structural characters. Next, we fabricate field-effect phototransistor basing on the composite and research its interfacial charge transfer characteristics. Further, by tuning QD size, field-effect and optical power, the charge transfer process of composite will be researched. And we will focus on accounting for the effective charge transfer characteristics, which are influenced by the size modulation, electrostatic field tuning and optical tuning. Then, in view of the QD size and density, interface conditions among QDs, graphene and electrodes, the dependencies between them and the response performance of transistor will be analyzed. Ultimately the physical mechanisms of effective charge transfer and photoelectric properties of hybrid system will be revealed, and those researches will provide theoretical and technical support for functionalization of new composite and the fabrication of novel QD infrared photodetector with high response.

锗量子点具有近红外光学活性和较大激子波尔半径，在红外光电子材料领域有重要研究价值。而石墨烯具有高迁移率和大比表面积，在复合功能材料方面有广阔的应用前景。若将两种材料有机结合在一起，发挥二者的协同效应，就可开发出新型纳米复合功能材料及新型器件。本项目拟采用自组装技术在石墨烯虚拟衬底上生长尺寸均匀、大小可控、结晶度高的锗量子点，制备锗量子点与石墨烯的复合材料，研究其形成机制及结构特性；并制作复合材料的场效应光电晶体管以研究其界面电荷转移特性；通过改变量子点尺寸、静电场及光功率密度等方式，研究复合材料的电荷转移过程，着重阐明量子点尺寸、静电场及光调制对复合体系电荷有效转移特性影响；分析晶体管响应性能与量子点尺寸、密度、量子点/石墨烯/电极之间界面态的依赖关系。最终揭示复合体系电荷有效转移的物理机制及光电特性，为实现新型复合材料功能化及新型高响应率的量子点红外探测器应用提供理论和技术支撑。

锗量子点具有近红外光学活性和较大激子波尔半径，在红外光电子材料领域有重要研究价值。而石墨烯具有高迁移率和大比表面积，在复合功能材料方面有广阔的应用前景。若将两种材料有机结合在一起，发挥二者的协同效应，就可开发出新型纳米复合功能材料及新型器件。本项目采用自组装技术在石墨烯虚拟衬底上生长尺寸均匀、大小可控、结晶度高的锗量子点，制备锗量子点与石墨烯的复合材料，研究其形成机制及结构特性；并制作复合材料的场效应光电晶体管以研究其界面电荷转移特性；通过改变量子点尺寸、静电场及光功率密度等方式，研究复合材料的电荷转移过程。最终揭示复合体系电荷有效转移的物理机制及光电特性，为实现新型复合材料功能化及新型高响应率的量子点红外探测器应用提供理论和技术支撑。. 其中基于物理法和化学法获得合成高质量Ge量子点的制备技术；获得石墨烯额度CVD法以及剥离法制备技术；获得石墨烯/Ge量子点的光探测器性能检测技术；基于石墨烯与光吸收材料的耦合机制，拓展石墨烯与有机无机钙钛矿的光电相互作用研究，并获得其材料体系在光探测器、太阳能领域的研究资助； 因此石墨烯的高迁移率特性在光电器件中有很多耦合效应需要研究。但目前发现如何获得高迁移率的石墨烯，依旧是技术难题。因为石墨烯在常规CVD法和转移过程中，都会引入非故意掺杂。另外，单层石墨烯的无带隙特点也需要解决，但调控方式很多，譬如多层或掺杂调控，皆可以实现；Ge量子点作为光吸收材料，目前新加坡以及美国在专攻GeSn合金，以研制近红外光电探测器；但目前GeSn合金的比例不好控制，Sn的低溶解度也是一个技术难题；溶液法可获得组分均匀的GeSn材料，但如何基于化学法获得高导电性的GeSn薄膜，依旧是一个研究的技术难题。因此石墨烯与Ge的集成拓展研究，在光电探测领域还有很多研究需要深入开展。其内在理论机制与耦合也需要深入研究。但本人也致力解决诸多问题而努力，为开发低维红外探测器而奋斗。