微纳米ZnO基紫外光电探测器的制备与性能研究

摘要

ZnO是最重要的II-VI族半导体材料之一，由于其自身的宽直接带隙特性被广泛认为是一种非常有前途的可以应用于各种技术领域的材料，特别是应用于短波长光电器件。此外ZnO具有诸多优点，如形貌丰富、合成方法多样、原料廉价易得、热稳定性好、载流子迁移率高尤其是它的耐辐射性能十分优异，这使得ZnO材料非常适合使用于恶劣的环境中。特别地，由于微纳米结构的小尺寸效应、量子尺寸效应等，使得微纳米 ZnO材料与其体材料相比具有更加优异的性能。因此，本文旨在利用ZnO微纳米结构独特的性质，以纳米科学本身的优势为依托来构建紫外光电器件，从而获得良好的光电响应性能。
　　本研究主要内容包括：⑴采用气相传输法制备了结晶性能良好的六边形ZnO微米棒，并以磁控溅射法制备了Ag电极从而构建了金属-半导体-金属（MSM）结构的紫外光电探测器，并对器件的紫外光电响应性能和机理进行分析研究。实验结果表明，在5 V偏压下该器件的暗电流为5.0×10-9 A，而在325 nm光照下，光电流则大幅提升至约7.2×10-8 A。经过拟合得到该器件的上升和恢复时间分别为2.02秒和4.66秒。⑵在单根ZnO微米棒紫外光电探测器的基础上，我们又引入了ZnO量子点，成功构建了ZnO量子点修饰单根ZnO微米棒的紫外光电探测器。在量子点的修饰下器件获得了更加优异的紫外探测性能，其光电流和明暗电流比相较之前的单根ZnO微米棒都提高了约两个数量级，而上升和恢复时间则加快了超过一个数量级，并且其响应度在提高的同时也得到了向短波长方向的展宽。⑶利用实验室制备的氧化石墨烯溶液自组装成氧化石墨烯薄膜，然后将其转移到Au叉指电极上并使用抗坏血酸对其进行还原，从拉曼和电学方面分析了氧化石墨烯薄膜还原前后表面结构和导电性的改变程度。待其还原后我们再通过滴涂的方法组装上ZnO量子点，以构建ZnO量子点/还原氧化石墨烯复合结构的MSM紫外光电探测器。该器件在325 nm的光照下表现出明显的明暗电流差异，且具有良好的可重复性和稳定性。