Ανάπτυξη καινοτόμων φωτοανιχνευτών βασισμένων σε νανοσωλήνες άνθρακα

Abstract

This PhD thesis focuses on the design, fabrication, and characterization of hybrid ultraviolet (UV) photodetectors integrating multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) with silicon-based technologies. The work investigates two complementary deposition techniques for MWCNTs: chemical vapor deposition (CVD) and liquid-based solution processing, aiming to combine the high performance of carbon nanostructures with the scalability and cost-effectiveness of silicon technology. The study evaluates the electrical, optical, and structural properties of photodetectors utilizing silicon nitride (Si3N4) and silicon dioxide (SiO2) dielectric layers. Key findings reveal the critical role of deposition methods and dielectric thickness in determining device performance. Specifically, liquid-processed MWCNTs demonstrated remarkable UV sensitivity, achieving an external quantum efficiency (EQE) reaching 85% at 275 nm under 5. In contrast, CVD-grown MWCNTs, while providing better structural order and density, required higher operational voltages for comparable performance. The thesis also explores the impact of dielectric properties on device functionality. Thicker silicon nitride layers, optimized for UV waveguiding, enhance photodetector response, while thinner layers result in higher leakage currents. Comparative studies underscore the advantages of liquid-processed devices in terms of simplicity, low cost, and energy efficiency, despite structural voids in the randomly oriented CNT network. This comprehensive analysis highlights the potential of hybrid MWCNT/silicon photodetectors as cost-effective solutions for UV detection with minimal sensitivity to visible light. Applications include environmental monitoring, communications, and advanced optoelectronic systems. The findings demonstrate the feasibility of integrating MWCNTs into silicon-based processes, paving the way for next-generation photonic and sensor devices.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τον ηλεκτρικό και οπτικό χαρακτηρισμό υβριδικών φωτοανιχνευτών υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας που συνδυάζουν πολυτοιχωματικούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) με τεχνολογίες βασισμένες στο πυρίτιο. Εξετάζονται δύο βασικές μέθοδοι ανάπτυξης για τους MWCNTs: η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και η υγρή επεξεργασία, με στόχο το συνδυασμό της υψηλής απόδοσης νανοδομών άνθρακα με την δυνατότητα κλιμάκωσης και το συσχετισμό κόστους – αποδοτικότητας της τεχνολογίας πυριτίου. Η έρευνα εστιάζει στις ηλεκτρικές, οπτικές και δομικές ιδιότητες φωτοανιχνευτών που χρησιμοποιούν διηλεκτρικές στρώσεις νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4) και διοξειδίου του πυριτίου (SiO2). Τα κύρια ευρήματα αποκαλύπτουν τον κρίσιμο ρόλο των μεθόδων ανάπτυξης και του πάχους του διηλεκτρικού στη λειτουργικότητα της διάταξης. Ειδικότερα, οι διατάξεις που βασίζονται σε MWCNTs υγρής επεξεργασίας έδειξαν εξαιρετική ευαισθησία UV, επιτυγχάνοντας εξωτερική κβαντική απόδοση έως και (EQE) 85% στα 275 nm υπό τάση 5 V. Αντίθετα, οι MWCNTs που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο CVD παρείχαν υψηλότερη δομική τάξη και πυκνότητα, αλλά απαιτούσαν υψηλότερες τάσεις λειτουργίας για συγκρίσιμη απόδοση. Η διατριβή εξετάζει επίσης την επίδραση των ιδιοτήτων των διηλεκτρικών στη λειτουργία της διάταξης. Τα παχύτερα στρώματα νιτριδίου του πυριτίου, βελτιστοποιημένα για την καθοδήγηση UV κυμάτων, ενισχύουν την απόκριση του φωτοανιχνευτή, ενώ τα λεπτότερα στρώματα οδηγούν σε αυξημένα ρεύματα διαρροής. Οι συγκριτικές μελέτες υπογραμμίζουν τα πλεονεκτήματα των διατάξεων υγρής επεξεργασίας όσον αφορά την απλότητα, το χαμηλό κόστος και την ενεργειακή απόδοση, παρά τα δομικά κενά στο τυχαία προσανατολισμένο δίκτυο των CNTs. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη δυνατότητα των υβριδικών φωτοανιχνευτών MWCNT/πυριτίου ως οικονομικές λύσεις για την ανίχνευση UV με ελάχιστη ευαισθησία στο ορατό φως. Εφαρμογές περιλαμβάνουν την περιβαλλοντική παρακολούθηση, τις επικοινωνίες και τα προηγμένα οπτοηλεκτρονικά συστήματα. Τα ευρήματα αποδεικνύουν τη βιωσιμότητα ενσωμάτωσης των MWCNTs σε διεργασίες βασισμένες στο πυρίτιο, ανοίγοντας νέους δρόμους για διατάξεις φωτονικής και αισθητήρων επόμενης γενιάς.