摘要
石墨烯独特的能带结构使其具有宽的吸收带宽、超高的机械强度以及电荷传输率，可被广泛应用于生物成像、太阳能电池、太赫兹通信和宽带光检测等领域。然而，石墨烯可见至红外波段的低吸收系数限制了石墨烯基光电探测器的性能，其最大响应度仅为 102 A/W。目前，大多数研究工作均采用在混合石墨烯-半导体复合异质结的方式，以提高其光响应性能，量子点作为一种光敏活性半导体材料，由于其极高的消光系数和可调的带隙，在太阳能电池、光电探测器和发光二极管中受到了极大的关注。特别是，硒化铅量子点（PbSe QDs）因其高红外吸收系数、直接带隙、载流子有效质量小以及易于大规模制备的特点而备受青睐。然而， PbSe量子点在环境条件下表现出很高的氧敏感性，这对制备稳定的 PbSe 量子点器件造成了很大的障碍。研究表明，PbSe量子点的可氧化性源于其表面的悬空键和空位。考虑到晶格匹配对表面钝化的影响，本文选用与 PbSe 匹配的 PbS 来钝化量子点表面是一个可靠的方案之一。此外，PbS与PbSe会形成Ⅱ型异质结构，在这种类型的异质结构中，导带和价带位移很小，一种类型的载流子被限制在核内，而另一种载流子则在整个核/壳上离域，这可以大幅减少器件的暗电流，提高器件的光灵敏度和探测率。 （1）首先利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法生长及湿法转移制备了石墨烯薄膜，并利用拉曼光谱仪、紫外-可见吸收光谱仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜对其表面形貌、分子结构、光学以及电学性质进行了表征和分析。然后，利用掩膜法制备出了沟道长 40 μm的石墨烯原型器件，并使用 Keithley-4200A-SCS 参数分析仪对石墨烯原型器件光电性能进行了测试。测试结果表明，制备出的石墨烯薄膜质量良好可以直接用于光电探测领域，其最大响应度为 25 A/W。 （2）进一步，针对石墨烯器件的低吸收的缺点引入了PbSe量子点，制备出石墨烯-PbSe量子点复合异质结光电探测器，并对其光电性能进行了测试。通过比较石墨烯器件与石墨烯-PbSe量子点器件，发现其光电流（从微安提高至毫安）、光响应度（从 102提高至104 A/W）、光灵敏度（从 0.8 %提高至 32 %）、光谱检测范围等均有显著提高。 （3）进一步，针对PbSe量子点器件的器件低寿命的缺点，引入PbSe/PbS核壳结构量子点，制备了石墨烯-核/壳结构量子点复合异质结光电探测器，实现了 72.1 h 的器件寿命，相比无壳层包覆的器件提高了将近 10 倍，并且其光响应度和探测率分别达到 104 A/W和 1011 Jones。
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