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二氧化碳激光的光致电阻效应

研究背景
热电子效应是以硅为衬底的半导体结构中不可忽视的效应.目前,紫外脉冲激光感生热电电压效应[1]和二氧化碳激光的光生伏特效应都已经有相关研究[2-3].二氧化碳激光器的波长一般为10.6μm,其光子能量约为0.124eV,远小于硅的带隙.使用二氧化碳激光器照射硅基器件,虽然不会产生电子—空穴对,但它显著的热效应会加速电子的运动[4].
 
多壁碳纳米管具有极小的径长比和优良的导热性能,被广泛用于导电高分子材料、传感器和其他光电子器件[5].本实验使用MWNTs薄膜代替传统金属-氧化物-半导体(MOS)结构中的金属薄膜,研究MWNTs-SiO2-Si结构中的光致电阻效应.将二氧化碳激光照射在MWNTs-SiO2-Si结构上,观察到了明显的电阻变化现象,详细测量电阻与激光功率、照射时间的关系.实验中测量电阻时,对硅片施加正偏压或负偏压,造成电子的扩散运动方向与漂移运动方向相反或相同,解释了电阻增加或减小的原因.
 MWNTs-SiO2-Si结构及电阻测量
实验样品制备及表征
实验中使用的硅片厚度为200μm,表面尺寸为20mm×20mm,硅片表面会天然氧化形成约1.2nm厚的二氧化硅薄膜.使用甩胶旋涂法制备MWNTs薄膜,放进烘箱中保持75°C烘2h,形成比较稳定的MWNTs-SiO2-Si结构,如图1所示.在硅片底部连接两只铟电极A和B,按图1测量电阻.使用欧姆表测量MWNTs-SiO2-Si结构的电阻时,欧姆表内的电池会在硅片上的铟电极A、B两端施加偏压.如果欧姆表的红色表笔接触A,黑色表笔接触B,称为正偏压(A+,B-);反之,如果欧姆表的黑色表笔接触A,红色表笔接触B,则称为负偏压(A-,B+).
 光致电阻测量示意图
实验装置
由于二氧化碳激光的波长为10.6μm,属于不可见的红外激光,因此本研究选用可见激光指示二氧化碳激光,以方便调整光路,如图2所示.透过分光镜的二氧化碳激光与分光镜反射的可见激光重合在一条直线上,因此可以用可见激光来指示二氧化碳激光的方向.二氧化碳激光依次通过分光镜、快门、光阑、凸透镜后,聚焦照射到MWNTs-SiO2-Si结构的表面上.将样品固定在三维位移平台上,用软件调节激光照射到样品上的位置.步进电极每转动160步,样品直线移动0.1mm.在样品的A、B铟电极上连接数字欧姆表(型号HAMEGHMC8012)测量电阻.使用功率计监测二氧化碳激光的功率.
 
测量与分析
测量方法
测量时使二氧化碳激光照射在B铟电极处的样品表面上,用光电快门遮住激光,将二氧化碳激光的功率调节至23.5mW,然后打开光电快门,MWNTs-SiO2-Si结构被二氧化碳激光照射后,电阻会变大,在电阻达到极大值时关闭光电快门.整个过程使用欧姆表自动记录电阻随时间变化的数据.将二氧化碳激光的功率增大至42.2、61.6mW,使用Origin软件绘制电阻随时间变化的曲线.
 
施加正偏压
 
正偏压下的光致电阻效应如图3所示,由图可以看出二氧化碳激光的功率越小,电阻达到极大值所需的时间越长;激光功率越大,电阻达到极大值所需的时间越短.二氧化碳激光功率为23.5、42.2和61.6mW时,电阻达到极大值所需的时间分别为11.0、7.5和6.0s.
 正偏压下的瞬态光致电阻效应
施加负偏压
将欧姆表的两只表笔对换,切换成负偏压测量电阻.使用Origin软件绘制电阻随时间变化的曲线,如图5所示.由图可以看出二氧化碳激光的功率越小,电阻达到极小值所需的时间越长;激光的功率越大,电阻达到极小值所需的时间越短.激光功率为23.5、42.2和61.6mW时,电阻达到极小值所需的时间分别为20.5、14.0和8.0s,电阻阻值变化率分别为15.91%、18.50%和22.09%.由此可见,激光的功率越大,电阻的变化率越大.
 负偏压下的瞬态光致电阻效应
结语
本实验使用波长为10.6μm的二氧化碳激光照射MWNTs-SiO2-Si结构,测量光致电阻随时间、激光功率不同的变化情况.激光的功率越大,电阻达到极值所需的时间越短,电阻的变化率越大,电阻的变化率最大可为22.09%.测量电阻时,欧姆表对硅片施加正偏压或负偏压,造成热电子的扩散运动方向与漂移运动方向相反或相同,可以增大或减小器件的电阻值.电子运动的理论很好地解释了实验观测到的现象.
 
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