基于ZnO纳米棒阵列的紫外光探测器制备与性能研究

摘要

紫外光探测器被广泛应用于通信、航天、环境监测、化学分析以及医疗器械等领域，具有非常重要的研究价值。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族元素形成的n型直接带隙半导体，带隙为3.37 eV，室温下激子结合能为60 meV，载流子迁移率高，是用于紫外光探测器最具有潜力的材料之一。但目前报道的许多ZnO基紫外光探测器存在着响应率低、响应时间长、制备方法复杂等问题。本论文以提高基于ZnO纳米棒阵列的紫外光探测器性能为目标，从纳米材料的可控制备、不同类型器件的构造、器件性能的调控及影响器件性能的机理等方面开展了研究。主要研究成果如下:
　　1.光化学法制备CuO/ZnO异质结紫外光探测器
　　采用光化学法，将ZnO纳米棒阵列置于Cu(NO3)2溶液中，通过紫外光照射，在ZnO纳米棒阵列表面沉积一层Cu2(NO3)(OH)3片状纳米结构，经空气退火后获得CuO/ZnO异质结紫外光探测器。发现通过改变实验条件调控CuO纳米结构的形貌，可以降低器件的暗电流，提高光生电子-空穴对的分离效率，从而改善CuO/ZnO异质结紫外光探测器灵敏度和响应速率。在最佳条件下制备的器件，相比于纯ZnO器件，灵敏度提高了50倍，紫外光响应的上升沿时间缩短了30％，下降沿时间缩短了一个量级以上。
　　2.氢气退火调节ZnO/PSS∶PEDOT异质结自驱动紫外光探测器的性能
　　利用水热法制备了ZnO纳米棒阵列，通过旋涂法在其表面沉积一层PSS∶PEDOT，形成ZnO/PSS∶PEDOT异质结紫外光探测器。发现将ZnO纳米棒阵列在不同温度下氢气退火，可以改变ZnO中的缺陷和费米面，进而影响ZnO/PSS∶PEDOT异质结的势垒。研究结果表明，在300℃下退火ZnO后制成的器件具有最大整流比255和最高势垒0.84 eV，表现出优异的光响应特性。器件在零偏压和365nm紫外光照射下响应时间低于1 s，灵敏度达到1000，比未退火ZnO制成的器件灵敏度提高了10倍。
　　3.基于ZnO光阳极和钴复合物电解质的电化学电池结构紫外光探测器
　　借鉴染料敏化太阳能电池的结构，我们以ZnO纳米棒阵列为光阳极，Co复合物[Co(bpy)3]2+/3+为电解质，有机导电聚合物PEDOT涂覆的ITO玻璃为背电极制备了光化学电池结构的紫外光探测器。循环伏安结果表明相比于贵金属Pt，PEDOT对于[Co(bpy)3]2+/3+氧化还原电对具有更好的催化性能。器件表现出良好的光伏特性，开路电压为0.5V，短路电流为6.2μA，可在自驱动模式下工作。在零偏压、365 nm紫外光照射下，器件表现出优异的紫外光响应特性，灵敏度达到263，高于其他ZnO基光化学电池结构紫外光探测器;响应速率快，响应时间小于0.2s。器件制备方法简单、采用廉价的无Pt背电极、紫外光响应特性好，在光电领域具有非常好的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 紫外光探测器

1．1．1 响应率和灵敏度

1．1．2 响应时间

1．1．3 波谱选择性

1．1．4 稳定性和可重复性

1．2 宽带隙半导体紫外光探测器

1．2．1 SiC紫外光探测器

1．2．2 金刚石紫外光探测器

1．2．3 Ⅲ-Ⅴ族半导体紫外光探测器

1．2．4 金属氧化物紫外光探测器

1．3 ZnO材料及其制备方法

1．3．1 化学气相沉积

1．3．2 分子束外延

1．3．3 磁控溅射

1．3．4 电化学沉积

1．3．5 溶胶凝胶法

1．3．6 水热法

1．4 ZnO基紫外光探测器

1．4．1 光电导体

1．4．2 MSM结构光电探测器

1．4．3 肖特基结紫外光探测器

1．4．4 p-n结紫外光探测器

1．4．5 光化学电池(PECC)紫外光探测器

1．5 论文的选题依据和研究内容

参考文献

第2章 光化学法制备CuO／ZnO异质结紫外光探测器

2．1 引言

2．2 实验内容

2．2．1 实验材料

2．2．3 CuO／ZnO异质结的制备

2．2．3 材料表征和器件性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 Cu2(NO3)(OH)3／ZnO和CuO／ZnO异质结前驱物的表征

2．3．2 Cu2(NO3)(OH)3／ZnO和CuO／ZnO的生长机理

2．3．3 CuO／ZnO异质结的光电性能

2．4 本章小结

参考文献

第3章 氢气退火调节ZnO／PSS：PEDOT异质结紫外光探测器的性能

3．1 引言

3．2 实验内容

3．2．1 实验材料

3．2．2 ZnO纳米棒阵列的制备

3．2．3 氢气退火

3．2．3 MgO中间层的制备

3．2．4 器件制备及表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 氢气退火对异质结性能的影响

3．3．2 MgO中间层对异质结性能的影响

3．4 本章小结

参考文献

第4章 光化学电池结构自驱动紫外光探测器

4．1 引言

4．2 实验内容

4．2．1 实验材料

4．2．2 ZnO纳米棒阵列和[Co(bpy)3]2+／3+电解质的合成

4．2．3 背电极的制备以及循环伏安测量

4．2．4 PECC结构紫外光探测器的组装

4．2．5 器件制备及表征

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第5章 总结

5．2 氢气退火调控ZnO／PSS：PEDOT异质结紫外光探测器的性能

5．3 ZnO基PECC结构自驱动紫外光探测器

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果