ZnO/ZnS纳米线核壳结构的制备及其紫外光检测特性研究

摘要

由于ZnO纳米线具有大的比表面积,从而产生了其块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等,这些优异的性能使ZnO纳米线广泛应用于发光二极管,场效应晶体管,化学/气体传感器,光电检测器和平板显示器等。
　　尽管一维纳米光电子器件在紫外光电器件中展现出许多优异的性能,人们对基于半导体纳米线肖特基势垒的一维光检测器件的性能也开展了许多研究工作,取得长足的进展,但仍然存在一些问题。
　　首先,研究发现影响光检测的主要因素是肖特基势垒,肖特基势垒高度受到表面态的控制。但是由于ZnO纳米线的表面态比较复杂,使得人们对其光电输运行为缺少有效的控制,这使器件的性能表现出不稳定、不重复的问题。
　　其次,ZnO核壳异质结构纳米线的壳层能够钝化ZnO的表面态,从而得到不同于单一体系的光电特性。但基于单根核壳结构的纳米线器件的光电输运特性以及其光电荷分离和传输的过程依然不是十分清楚。
　　基于上述问题,在本论文中,首先通过在位电场组装的方法制备了单根ZnO纳米线肖特基势垒紫外光检测器,并研究了肖特基势垒对ZnO纳米线输运特性的控制作用。其次通过对ZnO纳米线进行表面调控,制备了具有Ⅱ型核壳结构的ZnO/ZnS纳米线光检测器,在光激发的条件下,这种Ⅱ型结构对电子和空穴的分离效应进行了有效的控制,从而提高了紫外光检测器的性能,发展了具有高灵敏度和快速回复时间的紫外光检测器。
　　本论文主要工作包括以下几个方面:
　　在第二章中,首先采用金催化剂辅助Vapour-Liquid-Solid(VLS)反应方法在蓝宝石基底上制备了结晶性良好,沿c轴方向生长的ZnO纳米线阵列。然后,通过化学浴沉积法和元素取代法在已生长的ZnO纳米线阵列表面形成一层ZnS壳层,从而形成了具有Ⅱ型核壳结构的ZnO/ZnS纳米线,并对其结构和形貌等进行了相应的表征。
　　在第三章中,首先,采用在位电场组装的方法构筑了单根ZnO纳米线肖特基势垒紫外光检测器,通过ZnO纳米线肖特基势垒光检测器在紫外光照前后和在脉冲光照下的电流-电压曲线特征和光电流随时间变化特性的研究,探讨了不同气氛下肖特基势垒对ZnO纳米线输运特性的控制作用,深入研究了其光电流机制和回复过程,指出光电流的遂穿机制是纳米线肖特基势垒光检测器具有短的回复时间的关键原因。
　　然后,采用元素取代反应使制备的紫外光检测器上的ZnO纳米线表面的O元素逐渐被S元素所取代,从而使光检测器上的ZnO纳米线逐渐转变为具有Ⅱ型核壳结构的ZnO/ZnS纳米线。并对这种光检测器进行紫外光照前后的电流-电压曲线特征和光电流变化特性的研究,对比研究复合前后光检测器的光电流机制和回复过程,在此基础上发展具有高灵敏度和快速回复时间的紫外光检测器。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 一维纳米材料光电子器件的研究进展

1.3 核壳纳米异质结构的研究背景

1.4 目前存在的主要问题

1.5 本论文研究的目的、思路及内容

参考文献

第二章 ZnO 及 ZnO/ZnS 核壳结构纳米线阵列的制备及表征

2.1 前言

2.2 ZnO 纳米线阵列的合成及表征

2.3 ZnO/ZnS 纳米线核壳结构的合成及表征

2.4 本章小结

参考文献

第三章 ZnO 及 ZnO/ZnS 核壳纳米线的紫外光检测特性研究

3.1 引言

3.2 纳米线原型器件的构筑

3.3 实验结果及讨论

参考文献

总结与展望

硕士期间发表和已完成的工作

致谢