基于大面积有机钙钛矿单晶的光栅耦合器研究

作     者：李瑞雪 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋清海

授予年度：2020年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：钙钛矿单晶 光栅耦合器 耦合效率 

摘      要：钙钛矿是一种新型半导体材料,具备载流子扩散距离长、带隙可控、载流子寿命长等优点。近年来钙钛矿不仅于太阳能电池的研究中扮演重要角色,也被广泛应用于微型激光器、光电探测器的研究中,具有很好的应用前景。然而目前关于将各类钙钛矿光电器件进行集成的相关研究却很少,其中一个重要原因在于材料制备方面的瓶颈。尽管理论上钙钛矿单晶相较于多晶薄膜具有更好的光电性能,目前大多数基于钙钛矿的器件依然依赖于多晶薄膜,现实与理论的差距说明现有的钙钛矿单晶材料制备工艺仍然存在改善空间。所以要在钙钛矿集成光电的探索道路上继续前进,需要大尺寸的优质钙钛矿单晶作为研究平台。本文针对有机钙钛矿(MAPb Br)材料的制备方法,分析了钙钛矿一步溶液法薄膜、反溶剂气相辅助法生长单晶、空间限制法生长单晶之间的形貌差异,发现单晶比薄膜表面缺陷更少。在此基础上本文优化了用空间限制法生长钙钛矿单晶的条件,对溶液浓度和压力参数进行调整,利用钙钛矿饱和浓度溶液与200-600g砝码施加压力获得了大尺寸的钙钛矿单晶,厚度集中在200-400 nm,尺寸可达1 mm。利用X射线能谱与X射线衍射分析手段,本文确定了钙钛矿结晶晶系并发现空间限制法单晶相较其他两种制备手段具有更高结晶度。本文还设计透射反射光路测定钙钛矿单晶的吸收带边,计算获得有机钙钛矿带隙为E (28)2.3e V,利用椭偏仪测试晶体的折射率参数,为后续工作确定基础。在确定钙钛矿单晶的折射率之后,本文设计了1550 nm波段的光栅耦合器,光栅耦合器是光纤与片上波导信号传输的端口。同时考虑到钙钛矿材料暴露在空气中容易受水蒸气和氧气破坏,本文还对带包层和无包层两种情况进行了仿真。仿真运用的是lumerical软件,分别对光栅进行了周期、占空比、耦合角度、刻蚀深度的优化,设计耦合效率分别为37%与30%的带包层光栅与无包层光栅。最后根据模拟仿真的结果,用电子束曝光技术(EBL)和感应耦合等离子刻蚀技术(ICP)等微纳加工技术,制作了钙钛矿光栅耦合器样品。并分析了带包层和无包层的样品制作工艺。利用光路测试了光栅耦合器的耦合效率,最终在无包层的光栅样品中测得2.5%的耦合效率,而带包层的样品并无信号。实验结果证明利用空间限制法制备的大尺寸单晶具有作为集成光路平台的潜力,但钙钛矿单晶厚度的均一性需要优化,保持材料稳定性的手段也需要探讨。