p-Si/V掺杂ZnO光探测器的构建及其光响应性能的研究

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目前,新兴的二维材料在光电过程的调控方面显示出巨大的潜力,然而对具有铁电性的二维材料研究很少。铁电材料是一种具有自发极化、且自发极化的方向可随着外电场方向而改变的材料,它的极化电荷会对界面处的能带结构产生影响,因此具有铁电性的二维材料在光电器件上也具有广阔的应用前景,结合压电光电子学效应也会带来潜在的功能特性。本论文通过水热法制备了钒(V)掺杂氧化锌(ZnO)(V-ZnO)纳米片,并构建了p-Si/V-ZnO异质结光探测器,深入研究了铁电性以及铁电耦合压电光电子学效应对于p-Si/V-ZnO光探测器光响应性能的影响。首先,通过水热法合成了掺杂1 mmol%V的具有铁电性的V-ZnO纳米片并构建了p-Si/V-ZnO光探测器。用442 nm的激光照射光探测器时,当功率密度为10 m W/cm2时,在+1 V正向偏压下,光探测器在无应变条件下的光响应性能R为61.6 m A/W;在-0.20‰压缩应变时,光响应性能R提升到120.3 m A/W。在同样的条件下,施加-0.20‰压缩应变时,不具有铁电的p-Si/ZnO光探测器的光响应性能R只有35.1 m A/W。通过引入铁电和压电光电子学效应,可以改善电流的整流特性,并在较宽的光谱范围内增强异质结的光响应性能。为了进一步增强V-ZnO纳米片的铁电性,合成了掺杂2 mmol%V的具有铁电性的V-ZnO纳米片并构建了p-Si/V-ZnO光探测器。用442 nm的激光照射时,当功率密度为10 m W/cm2时,与非铁电性的p-Si/ZnO光探测器相比,具有铁电性的p-Si/V-ZnO光探测器在+1 V偏压下的光灵敏度R从13 m A/W增强到72.38m A/W,大约提高了5.5倍;用1064 nm的激光照射时,当功率密度为3 m W/cm2时,与非铁电性的p-Si/ZnO光探测器相比,具有铁电性的p-Si/V-ZnO光探测器在+1 V偏压下的光灵敏度R从70 m A/W增强到828 m A/W,大约提高了12倍,当功率密度为0.48 m W/cm2时,光响应性能R可达到最大值2.7 A/W,D*可达到最大值9.4×1011 Jones。即使在-1 V偏置电压下,铁电性也能改善光响应性能。实验结果表明,由于V-ZnO纳米片在施加的外部电场下存在有序排列的铁电自发极化电荷,因此可以直接有效地调制结界面的能带结构,从而大大提高了光生电子-空穴对的产生,分离和传输效率。证明了通过铁电自发极化对结界面处的能带结构进行直接调制的可行性,为能带工程提供了新的视角。
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