一维半导体氧化物的可控合成、器件组装以及在光电探测器上的应用

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一维无机宽禁带半导体氧化物具有形貌可调节,光电性能高,柔性等特性,其在应用光电器件中的需求不断增长。但是由于一维材料复杂的合成工艺以及缺乏有效的组装方式,它们的应用依旧受到限制。为了提升其应用前景,急需一种经济又简易的合成以及组装工艺。静电纺丝技术是一种经济的并且能够用于规模生产的技术,可以用来合成具有高质量、多级形貌的一维纳米结构。通过优化系统和工艺参数,可以制备具有高比表面积的、不同种类的一维纳米纤维、纳米带和纳米管。而且通过设计合适的收集器,这些制备的纳米结构可以定向排列组装成为器件。在本论文中,通过配置溶胶前驱体,再用电纺丝技术制备了纳米纤维和纳米带这两种一维纳米结构,我们制备了ZnO、In2O3、ZnGa2O4、WO3和ZnO-ZnGa2O4的纳米纤维以及SnO2、In掺杂SnO2和In2O3-ZnO的纳米带。这些纳米结构经平行收集后定向排列在自主设计的收集器上,并被转移到不同基板上制成器件。我们制备了In2O3和ZnO的混合纳米带,并将其组装成光探测器。这些混合材料组成的光探测器相较于他们单独成分表现出更高的光电性能,主要表现为高光敏特性、光探测特性、高量子效率、快速光响应等。这些光探测器在可见光下(400-700 nm)的光透过率大于90%。并且这些器件具有很好的柔性,即使在较小曲率半径下经过多次弯折之后仍具备较高性能。我们在论文中讨论了这些性能提高的机理。我们制备了氧化钨(WO3)纳米纤维,将其组装成一种具有可调光响应带的光探测器,并测试了这种纳米纤维的光学特性。我们通过吸收光谱计算了禁带宽度,发现其带隙的计算值同理论值符合较好。为了提高SnO2的光电特性,我们制备了一系列In掺杂SnO2纳米带并分析了In的掺杂对结构和光电特性的影响,发现其性能同In的掺杂量和纳米带中晶粒大小有着紧密联系,从而得出掺杂补偿效应可以提高SnO2纳米带光电性能的结论。我们还制备了高柔性ZnO-ZnGa2O4异质结构的纳米纤维。我们将这些混合纳米纤维组装成光探测器,发现这些光探测器具有高响应特性(1.73×102 A/W),高光探测特性(1.02×1012 Jones),高外量子效率(7.10×104%)以及快速上升和回复时间(分别小于400 mm和500 ms)。而且,这些光探测器显示了出众的柔性和稳定性,它们在小至2 mm曲率半径下弯折后仍旧保留了70%的光敏感性。
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