论文部分内容阅读
紫外探测技术是一项新型军民两用技术,在空间通讯、污染监测、导弹羽焰探测以及生物医学领域都有着广泛的应用。相比于传统的商用光电倍增管和硅基紫外探测器,基于第三代宽禁带半导体材料的紫外探测器可避免使用复杂昂贵的滤光片,并且工作时无需冷却即可实现对紫外线的探测,因此近来得到了人们的青睐。在众多宽禁带半导体材料中,一维氧化锌(ZnO)纳米材料具有物理化学性质稳定、耐辐射、比表面积大、载流子迁移率高、制备方法简单以及环境友好等特点,被认为是理想的紫外探测材料之一。但一维ZnO纳米材料中存在较多的表面态和缺陷,易形成各类陷阱中心,导致纳米ZnO基紫外探测器性能较差,限制了其实际应用。为了制备探测灵敏度高,响应速度快的纳米ZnO基紫外探测器,本文从材料设计和结构设计两方面入手,优化纳米ZnO基紫外探测器的性能。一方面,采用水热法,通过掺杂不同元素(Cu、Sb),制备了ZnO基纳米棒(薄膜)阵列,并在此基础上分别制备了Cu掺杂的ZnO纳米薄膜紫外探测器和Sb掺杂的ZnO同质结紫外探测器；另一方面,首次采用光化学沉积法制备了p-NiO/n-ZnO异质结紫外探测器,并对材料的生长机理及紫外探测器的性能做了深入研究。具体研究内容如下：1、采用水热法和后续退火工艺制备了Cu掺杂ZnO纳米薄膜基紫外探测器,研究了Cu掺杂对ZnO纳米棒阵列的形貌以及紫外探测性能的影响,发现Cu掺入后,ZnO纳米棒的长径比明显降低,且随着掺杂浓度的增加,出现了从纳米棒逐渐向薄膜转变的趋势；与未掺杂的ZnO纳米棒阵列比较,Cu掺入后,紫外探测性能明显提高,这主要归因于掺入Cu引起的相关复合缺陷对电子的捕获和去捕获作用。2、通过低温水热工艺制备了Sb掺杂的p型ZnO纳米棒阵列,并在FTO衬底上制备了p-Sb:ZnO/n-ZnO同质结纳米棒阵列紫外探测器。采用X射线光电子能谱和二次离子质谱分析法证明了Sb的存在,电流-电压曲线显示出明显的整流特性,且制备的同质p-n结纳米棒阵列紫外探测器具有高达3300%的探测灵敏度和较快的响应速度。3、在上述工作的基础上,首次采用光化学沉积法制备了蜂窝状的p-NiO/n-ZnO异质结紫外探测器,通过改变生长条件调控形貌和器件的性能。研究现,蜂窝状NiO纳米结构的形成与光化学沉积过程中ZnO纳米棒阵列附近产生的OH-离子有关。制备的p-NiO/n-ZnO异质结具有明显的整流特性,开启电压只有0.66 V,在365 nm紫外光照射下具有较高的灵敏度和较快的响应速度,明显优于ZnO纳米棒阵列紫外探测器。NiO蜂窝状的特殊形貌以及NiO和ZnO界面处形成的空间电荷区两者共同作用,提高了探测器的性能。