NiO/ZnO纳米棒阵列异质结器件自驱动紫外光响应特性研究

摘要

无需电源供电的自驱动紫外光探测器可实现小型化、智能化，在未来自驱动的无线遥控的纳米器件领域将发挥重要的作用。基于光伏效应的自驱动异质结紫外光探测器可以利用内建电场促进光生载流子的分离，实现无外加电源驱动的紫外光探测。一维ZnO纳米棒阵列（NRs）和NiO纳米片可构筑成具有光伏效应的Ⅱ型异质结紫外光探测器，纳米结构的异质结为光生载流子分离提供更多的界面，有序的阵列结构有利于载流子定向传输。但是纳米结构半导体比表面积大，表面态和缺陷态较多，载流子容易在NiO/ZnO NRs异质结界面发生复合，导致异质结器件自驱动条件下暗电流大、光响应度低。 本论文利用简单的化学浴沉积方法在ZnO NRs表面制备NiO纳米片，构筑Au/NiO/ZnO NRs/FTO异质结紫外探测器，研究异质结器件在无外加电场驱动时，自驱动的紫外光响应特性。通过提高ZnO NRs的结晶质量、异质结界面插入介质层减少表面态和缺陷态，降低载流子复合中心，减少载流子在异质结界面的复合，提高异质结器件的光电流和降低暗电流，从而提高自驱动异质结器件的紫外光探测性能。本论文主要研究内容和结论如下： （1）ZnO的表面态和缺陷态是影响NiO/ZnO NRs异质结器件性能的重要因素。利用后期真空退火降低ZnO NRs的缺陷态，减少载流子在缺陷态和表面态的复合。研究发现，NiO/ZnO NRs异质结器件具有良好的整流特性，紫外光照下存在光伏效应，可实现自驱动紫外光探测。在无外界偏压驱动时，异质结器件对紫外光具有很好的光谱选择性。经过300℃真空退火处理的ZnO NRs异质结器件在零偏压下由热激发产生的暗电流降低，器件的灵敏度得以提高。这归因于真空退火处理的ZnO NRs表面态降低，载流子复合中心减少，载流子在异质结界面的复合降低。 （2）利用磁控溅射方法在ZnO NRs上沉积不同时间的MgO纳米颗粒，构筑NiO/MgO/ZnO NRs异质结紫外光探测器，研究MgO介质层对异质结器件自驱动紫外光响应特性的影响。研究发现，MgO介质层在异质结器件中起到两种作用：一种是修饰ZnO NRs表面，抑制ZnO NRs的表面缺陷态引起的异质结界面载流子的复合，降低器件在零偏压下由于热效应引起的暗电流，提高器件信噪比；一种是作为ZnO NRs与NiO纳米片之间的载流子转移的阻挡层，ZnO NRs的光生空穴通过隧穿MgO到达NiO。MgO沉积时间为30min的NiO/MgO/ZnO NRs异质结器件对弱的紫外光呈现具有高的光响应度（378nm，73.9mA/W）和可探测率（5.84×1011cm?Hz1/2/W）。 （3）通过在生长ZnO NRs的前驱液中添加Al3+离子调控纳米棒的形核与生长，获得高质量的ZnO NRs，研究NiO/ZnO NRs异质结器件的自驱动紫外光响应特性。研究发现，前驱液中加入0.5%Al3+离子生长的ZnO NRs结晶质量较好，表面缺陷态较少，载流子浓度较高，费米能级更靠近于导带底。在该条件下构筑的NiO/ZnO NRs异质结器件对弱紫外光（0.2mW/cm2）呈现出窄的光谱选择性（半高宽约9nm），高光响应度（378nm，85.1mA/W）和可探测率（1.74×1012cm·Hz1/2/W），快的光响应速度（～2ms）。异质结大的内建电场有助于界面光生载流子的分离和定向传输，降低界面光生载流子的复合。

目录

声明

第一章 绪论

1.1紫外光探测器

1.1.1紫外光探测的研究背景

1.1.2紫外光探测器的分类及工作原理

1.1.3紫外光探测器的性能参数

1.1.4紫外光探测器的研究进展

1.2 ZnO基紫外光探测器

1.2.1 ZnO的基本性质

1.2.2 ZnO的制备方法

1.2.3 ZnO基自驱动型紫外光探测器的发展现状

1.3本文的选题背景及研究内容

第二章NiO/ZnO NRs异质结构筑及其自驱动紫外光响应特性研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2 ZnO NRs的制备

2.2.3NiO纳米片和NiO/ZnO NRs异质结器件的制备

2.2.4材料表征和器件性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1ZnONRs及NiO/ZnO NRs异质结的形貌、结构及光学性质

2.3.2NiO/ZnO NRs异质结器件紫外光响应特性

2.4本章小结

第三章MgO介质层对NiO/ZnO NRs异质结自驱动紫外光响应特性的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1构筑NiO/MgO/ZnO NRs异质结器件

3.2.2材料表征和器件性能测试

3.3结果与讨论

3.3.1MgO/ZnO NRs与NiO/MgO/ZnO NRs异质结的形貌与晶体结构

3.3.2MgO/ZnO NRs与NiO/MgO/ZnO NRs异质结的光学和电学性质

3.3.3MgO介质层对NiO/ZnO NRs异质结自驱动紫外光响应特性的影响

3.4本章小结

第四章ZnO NRs前驱液中Al3+离子添加对NiO/ZnO NRs异质结自驱动紫外光响应特性的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1前驱液中Al3+离子添加制备ZnO NRs与NiO/ZnO NRs异质结器件

4.2.2材料表征和器件性能测试

4.3结果与讨论

4.3.1ZnO NRs与NiO/ZnO NRs异质结的形貌与晶体结构

4.3.2ZnO NRs与NiO/ZnO NRs异质结的光学和电学性质

4.3.3NiO/ZnO NRs异质结自驱动紫外光探测器性能

4.4本章小结

第五章 总结和展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢