Диссертация (1091554), страница 15
Текст из файла (страница 15)
(б) –Зависимостьинтенсивностифотолюминесценцииоттолщинымикрокристаллита (на вкладке – спектры ФЛ при различных толщинах)кристаллита MoS2, полученного с помощью методики люминесцентноймикроскопии.Для последующего анализа выбранного кристаллита была использованаметодика нелинейно-оптической микроскопии. Результаты исследованияпредставлены на рисунке 41.
Основываясь на полученном изображении можносделать вывод что оба сегмента кристаллита однородны и не имеют дефектов.При этом интенсивность ВГ выше сегмента с большей толщиной.117Изображение кристаллита MoS2.Дополнительно топография выбранного кристаллита была исследованас помощью АСМ (рисунок 42). При этом было обнаружено, что толщина егонижнего сегмента составляет 1-2нм, высота ступеней равна 1 нм. Ранее ужеотмечалось, что при исследовании микрокристаллитов, эксфолиированных наповерхностьподложек,АСМобеспечиваетвысокуюточностьприопределении разницы толщин в один монослой. Что касается монослоя,непосредственно примыкающего к подложке, в большинстве экспериментовего толщина оказывается завышенной в силу дефектности поверхностиподложки, как связанной с ее изготовлением, так и с возможным остаточнымпосле очистки наличием примесей.Этот факт еще больше подчеркивает, что основной мерой толщины слояявляется интенсивность фотолюминесценции, то есть диагностика можетпроводится дистанционно.118Изображение отдельного кристаллита MoS2, полученного спомощью АСМ.
Толщина нижнего сегмента кристаллита составляет 1-2нм.Послетого,какоптимальныепопараметрамкристаллитылокализованы, с помощью CAD (AutoCAD) программ создаются шаблоны дляэлектронно-лучевой литографии. При этом принимаются во внимание нетолько размерные свойства выбранных кристаллитов, но также и положениесоседних кристаллитов.Для ускорения процесса изготовления и для преодоления определенныхсложностей на этапе совмещения шаблонов экспонирования с кристаллитамибыл дополнительно разработан программный алгоритм, позволяющийсовмещать координатные сетки разных приборов, используемых в ходеизготовления экспериментального устройства.
При этом алгоритм учитывалтакие параметры как смещение и направление координатных осей, уголповорота, ошибки перемещения шаговых двигателей и позиционеров. В119качестве опорных точек использовались любые различимые статичныеобъекты на поверхности, такие как дефекты подложки, инородные тела,отдельные кристаллиты на поверхности и т.д. Всё это позволило с высокойточностью проводить экспонирование без нанесения промежуточныхопорных меток на подложку.Использованиеэлектронно-лучевойлитографиипреждевсегообосновано требованием высокого пространственного разрешения, чтопозволяетсоздаватьэлементы,гораздоменьшиепосравнениюсфотолитографией. Кроме того, электронно-лучевая литография не требуетиспользование масок, что делает этот метод гораздо более гибким дляпроведенияисследовательскихработ.Благодаряналичиюлазерногоинтерферометра в системе, возможно точное прецизионное перемещениеэлектронного пучка на большие расстояния, что позволяет одновременнозагружать в прибор несколько кремниевых пластин с кристаллитами ДПМ дляих последующего экспонирования.
Для этого необходимо для каждойотдельной пластины осуществить перерасчёт координатных осей, чтовыполняется с помощью описанного выше алгоритма.Непосредственно перед экспонированием на подложку с кристаллитаминаносится высококонтрастный резист PMMA 950K, толщиной 100нм спомощью методики центрифугирования и проводится его сушка. Дляускорения процесса экспонирования использовался векторный режим работыэлектронно-лучевого литографа.После экспонирования с помощью растворителя был снят проявленныйрезистметодомцентрифугирования.Данныйметодпозволяетминимизировать повреждения стенок резиста и повышает однородностьпроявленной области.
Напыление металла осуществлялось термическимметодом в 2 этапа: сначала напылялся тонкий слой 10нм Ti для обеспечениелучшей адгезии, а затем напылялся слой Au толщиной 90нм.120Наконец, лишний металл в неэкспонированной области удалялся спомощью ацетона, и весь образец промывался деионизованной водой. В итогебыло получено устройство, показанное на рисунке 43. Зазор междуэлектродами, составляет 2мкм; между ними располагается монослой MoS2.Монослой MoS2, (показан стрелкой) расположенныймежду золотыми электродами.
Ширина зазора между электродамисоставляет 2мкм.Для подачи напряжения через электроды к устройству предусмотреныконтактные площадки, к которым с помощью прецизионных механическихпозиционеров подводились вольфрамовые зонды. Общий вид устройства сподведенными зондами представлено на рисунке 44.121Общий вид устройства с подведенными вольфрамовымизондами.Для исследования фоточувствительности полученного устройства наповерхность кристаллита MoS2 между электродами, фокусировалось лазерноеизлучение.
В качестве источника излучения использовался непрерывныйNd:YAG лазер KLM-DL532-100 с длиной волны 532нм. Фокусировкаоптического излучения и его позиционирование на образце осуществляласьпри помощи конфокального микроскопа WITec alpha300s+ с использованиемобъектива 20х.
Общий вид схемы подключения фотодетектора представлен нарисунке 45.Общий вид схемы подключения фотодетектора.122Далее при изменении мощности лазерного излучения был получен рядзависимостейтока от напряжения на электродах. Напряжение подавалосьпри использовании программируемого синхронного детектора SR830, аизмерение значения тока, протекающего через схему, измерялось с помощьюпрограммируемоговысокочувствительногоамперметраKeythley2010.Минимальный шаг изменения напряжения для источника напряжениясоставляет 0,1мВ, а чувствительность амперметра - 100пА.Результат исследований приведен на рисунке 46. Максимальноиспользуемое напряжение на зазоре равнялось 3В.Вольт-амперные зависимости созданного фотодетекторапри различных мощностях лазерного излучения.Фоточувствительность является наиболее критическим параметром дляоценки эффективности фотоприёмников.
Его можно определить какPh I ph / Plight , где I ph - значение величины фототока, Plight - полная мощностьоптического излучения, падающего на монослой MoS2 [173].123Из представленных зависимостей видно, что фоточувствительностьданного устройства составляет около 1,3 мА / Вт . Важно отметить, чтополученная фоточувствительность однослойного MoS2 выше, чем у устройств,основанныхнаоднослойномграфене(1мА / Вт ).Высокаяфоточувствительность детекторов на основе графена в основном возникаетблагодаря быстрой электрон-дырочной рекомбинации, вызванной нулевой поширине запрещенной зоной и высокой подвижностью заряда [173,174].Полученный результат сопоставим с показанными в ряде работ.
Так вработах по созданию эффективного фотосенсора групой ученых подруководствомПерэа-Лопезабылосозданоустройствосфоточувствительностью, равной 1,1мА / Вт [175], а в работе другой группы[176] указана фоточувствительность, равная 0,8 мА / ВтЕщерядработуказываютнесколько-большиезначенияфоточувствительности: 2,4 мА / Вт в работе [177], 7,5 мА / Вт в работе [176],3,1мА / Вт в работе [178]. При этом напряжение на электродах моглодостигать 100В.В работе [28] показано, что фоточувствительность может достигатьзначений в 7,5 мА / Вт , однако напряжение на электродах в данной работебыло существенно выше и составляло 50В, что более чем на порядокпревосходит напряжение, использованное в данной работе.Недавно было показано, что фотодетекторы на основе монослоёв MoS2могут достигать очень высоких значений чувствительности, вплоть до1 104 А / Вт .
Однако эти устройства обладают сложной архитектурой итестирование их работоспособности проводится при особых условиях[46,179].Например, в группе профессора Чжана на основе однослойного MoS2большой площади, полученное методом ХОГФ было разработано устройство,124обладающее высоким коэффициентом усиления [179]. В использованнойконструкции для повышения фототока электроды истока и стока имели формугребенок и на затвор подавалось высокое напряжение (до 90 В). Кроме того,эти устройства обладают высокой эффективностью из-за их большой площади(около 1 104 м 2 ), что почти на 4 порядка больше, чем площадь созданного вданной работе фотодетектора.Другие высокоэффективные устройства были созданы на основегетероструктур слоистых материалов, таких как графен/ДПМ, обладающихочень высоким поглощением в широком спектральном диапазоне [137].В отличие от перечисленных устройств, эффективность работысозданного в ходе работы фотодетектора, обусловлено наличием только парыплоских электродов, тестирование проводилось при комнатной температуре, вобычной воздушной среде, при приложении низкого значения напряжения(±3В) и без применения полевого эффекта, что вызвано отсутствием затвора.Важно также отметить, что представленные выше устройства для увеличениячувствительности работали при высоких напряжениях.5.2.
Выводы по главе 5Создан экспериментальный образец высокочувствительного фотодетектора,где в качестве функционального элемента используется монослойныйкристаллит MoS2.1. Методом механической эксфолиации получены кристаллиты MoS2 и спомощью предложенной методики оптического контроля произведенаих оценка пригодности для дальнейшего применения в качествеосновного элемента экспериментального образца фото-приемногоустройства.1252. Разработанпрограммныйалгоритм,позволяющийсовмещатькоординатные сетки разных приборов для осуществления всех этаповизготовления устройства.3. Создан дизайн электродов и контактных площадок и осуществленасборка экспериментального фото-приемного устройства.4. Проведено исследование вольтамперных характеристик созданногоустройства и установлено, что на длине волны излучения 532нм егофоточувствительность составляет 1,3мА/Вт.126ЗАКЛЮЧЕНИЕВ диссертационной работе исследованы оптические характеристикидвумерных полупроводников нового типа (дихалькогенидов переходныхметаллов) и периодических доменных структур ниобата лития, а такжеразработанынаучныеосновыкомплекснойоптическойметодикихарактеризации этих материалов и нано- и опто-электронных устройств на ихоснове.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
