硒化镓纳米结构研究

背景及概述^[1]

硒化镓化学式GaSe，分子量148.68，暗棕红色有润滑感的薄片状晶体。硒化镓熔点960 ±10℃，相对密度5.03^4～25。制法：由镓和硒粉等摩尔量混合物在石英管中熔融而得。

纳米结构研究^[2]

层状硒化镓是一种重要的二元半导体,它具有各向异性、较宽的带隙、新奇的光学和电学性质等特性。这使得硒化镓在太阳能电池、光探测器及集成光电子器件等领域有很好的应用前景。湖南大学唐路平首次报道了通过化学气相沉积的方法自催化合成硒化镓纳米结构的方法,通过合理的选择反应物和控制响应的实验条件,制备出了单晶GaSe纳米带、纳米片以及大面积薄膜。

采用微纳加工的方法研制了基于GaSe纳米带材料的场效应晶体管和光电探测器,并对其光电子特性进行了系统的研究。

（1）采用Ga和Ga₂Se₃作为反应源在SiO₂片上自催化合成大量高质量的GaSe纳米带。通过光学显微镜,SEM和AFM可以清晰地看到所得到纳米带表面平整干净,宽度为1到20微米,尺度长达十几毫米,厚度大约100 nm左右。XRD,TEM及EDX测试显示出我们得到的GaSe纳米带具有六方晶相结构,原子比例为Ga:Se=1:1且有很好的结晶质量。单根纳米带的拉曼散射光谱及光致发光光谱的峰位和之前的报道一致,充分证明我们合成的GaSe纳米带有优异的结晶质量。

（2）以所合成的GaSe纳米带为材料,采用高精度的电子束曝光系统和热蒸发的系统制作纳米带场效应晶体管和光电探测器。测试显示GaSe纳米带显示出p型半导体的性质,这与之前的报告一致。其载流子迁移率为1.06 cm²V^-1S^-1,场效应晶体管显示出超低漏电流（小于1 pA）和高开关比（106）。同时,GaSe纳米带在520 nm激光照射下显示出良好的功率相关响应特性,该设备的R值可达164.4AW^-1,比已报告的GaSe光电探测器(2200 mA W^-1)高。对于光电探测器来说,可靠和快速的响应速度是至关重要的。光开关的上升时间τr和下降时间τd分别是0.26s和0.2s。这种高性能的响应主要是由于GaSe单晶体的高质量,这有助于减少缺陷诱导产生的电子-空穴对复合。对比同类型的GaSe纳米带器件,我们发现我们制作的GaSe纳米带探测器具有更好的性能。

（3）在此基础上,通过合理的控制反应条件实现了大面积的GaSe薄膜的生长。并且用SEM,AFM,TEM,PL,Raman等手段测试了所合成GaSe纳米片的性质。实验显示本研究得到的大量的GaSe纳米片具有较高的结晶质量。GaSe纳米片在大规模集成电路里面有很高的应用前景。同时本研究还通过在Ga₂Se₃中加入In₂Se₃去合成Inx Ga_1-x-x Se纳米带来实现纳米带的带隙调控问题,获得了In0.1Ga0.9Se纳米带。这些都是具有开创性的工作。为后续进一步的研究奠定了基础。

参考文献

[1] 化合物词典

[2] 唐路平. 硒化镓纳米结构的CVD制备及其光电特性研究[D].湖南大学,2018.