基于紫外透明导电电极的光电化学紫外探测器研究

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紫外光用途广泛,对不同波长的紫外光进行探测具有重要意义。传统紫外探测器主要分为光电导型、PN结和肖特基结型等,它们普遍存在成本高、制备工艺复杂、易受环境影响等缺点。近年来,基于半导体固液结的光电化学(PEC)紫外探测器受到了广泛关注。PEC紫外探测器具有制备工艺简单、价格低廉、响应速度快的突出优点,在民用领域具有广阔的应用前景。目前,研究者已从光阳极、电解液和对电极三方面出发对PEC紫外探测器进行了深入的研究。由透明导电电极和半导体多孔材料构成的光阳极是PEC紫外探测器最重要的组成部分,其作用是光吸收、产生电子空穴对和收集电子。传统PEC紫外探测器的光阳极以FTO(SnO2:F)或ITO(氧化铟锡)作为透明导电电极,但是这类电极对紫外光具有明显的吸收,被探测光线不能顺利到达活性材料,最终导致器件的响应范围为很窄的300-400 nm区间,且响应度很低,这严重限制了器件的进一步优化和实际应用。解决这一瓶颈问题的关键在于得到具有高紫外透过率的透明导电电极(TCE)并成功应用于PEC紫外探测体系。本论文从该思路出发,将由浅入深通过以下三方面的策略对PEC紫外探测器的性能进行优化,并对相关的科学及技术问题进行研究。第一,基于ITO薄膜/石英及不锈钢网的PEC紫外探测器。首先,我们选用具有高紫外透过率的石英玻璃作为衬底,在其上沉积一层厚度可控的ITO薄膜作为导电层,形成ITO薄膜/石英(IFTCE)的简单结构作为紫外TCE。当ITO薄膜厚度约为116nm时,IFTCE在波长254 nm处的透过率为19%,方阻为188.4 Ω/sq。然后使用溶胶-凝胶法和高温烧结法在IFTCE上制备了TiO2的纳米结构,将其封装为PEC紫外探测器以后,初步实现了对220-400 nm紫外光的响应,但是由于上述电极的透光性和导电性均不理想,导致响应度较低。另外,我们以石英为衬底,选用商用的不锈钢网作为电极,在其上制备了TiO2纳米结构。这种结构将集电极置于整个活性材料的内部,避免了电极对入射紫外光的影响,因此也扩宽了器件的响应范围。但不锈钢网直径约为几十微米,导致活性物质的比表面积很低。第二,基于ITO纳米线和Ag纳米线网络的PEC紫外探测器。受不锈钢网启发,我们设计出基于物理模板法的特殊制备工艺,成功得到了连接性优异的ITO和Ag纳米线网络,镂空的网络结构可以允许光线无障碍通过,紫外光透过率高达80%以上,方阻低于2Ω/sq。通过低温法制备活性层以后,器件的响应范围得到扩展,响应度达到15mA/W。第三,通过优化载流子输运提高PEC紫外探测器的性能。经过对前两部分研究结果的分析,我们认为基于ITO纳米线的电极结构最具潜力。本章我们以ITO纳米线为基础,从三个方面对器件性能进行了优化:(1)制备以Ag纳米线为核心的ITO-Ag核壳结构,解决ITO纳米线导电性差的问题,优化电子传导;(2)通过高温法制备活性材料,提高结晶度,增强纳米结构的连接,改善电子的扩散过程;(3)制备TiO2-ZnO局部异质结结构优化载流子的分离与扩散。最终将器件的响应度提升至59.2 mA/W。通过以上三部分的研究工作,本论文从多角度出发得到了具有不同性质的紫外透明导电电极和相应的活性材料,解决了PEC紫外探测器响应范围过窄的问题。本论文研究成果为解决PEC紫外探测器的瓶颈问题提供了重要的思路和理论依据。
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