氧化物纳米纤维的电纺丝法制备、器件组装与光电性能

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一维宽禁带氧化物半导体纳米结构具有化学稳定性好,探测灵敏度高,响应速度快以及轻质便携等特点,成为新一代高性能紫外光电探测器的理想材料。传统的气相、液相合成法存在很多问题,如纳米线组装工艺复杂,掺杂成分含量难以精确控制,以及难以规模化生产等。电纺丝法是一种简单高效并已成功商业化应用的量产制备连续一维纳米结构的技术。采用简易的收集装置,即可在纤维制备过程中完成纤维的定向排列和有序收集。此外,通过改变前驱体溶液的配比,可以有效调控纤维的形貌并精确控制其成分。本论文采用电纺丝法可控合成In2O3、NiO半导体纳米线,SnO2纳米带以及ZnO纳米棒—纳米管多级形貌结构,有序收集并组装了基于纳米纤维阵列的光电导器件、场效应晶体管以及半导体异质结二极管结构。系统研究了纤维内部的本征缺陷、掺杂缺陷以及器件构型对一维氧化物半导体纳米结构电学输运性质以及光电响应性能的影响。研究了本征氧空位缺陷对In2O3纳米纤维的电学输运性质以及光电响应特性的影响,发现非化学计量比In2O2.68纳米纤维具有紫外—可见光双波段光电响应特性。研究了Ni掺杂对SnO2纳米带结晶度、相结构以及紫外光电响应特性的影响,证明掺杂补偿效应可以显著提高SnO2纳米带的紫外光电响应灵敏度和响应恢复速度。将电纺丝法和旋涂法相结合,构建了一种界面清晰且性能稳定的SnO2纳米带/NiO薄膜半导体异质结结构。该异质结二极管展现出稳定的整流特性和优异的紫外光电响应特性。在反向偏压下,异质结的紫外光电响应灵敏度可高达105,且响应速度明显提高。此外,该异质结呈现良好的可见光透过率,是一种潜在的高性能透明光电二极管器件。测试发现SnO2纳米带无纺布薄膜具有超高的可见光透过率和优异的弯曲/拉伸力学柔性,且在形变后能够保持稳定的紫外光电响应性能。这种自支撑的宏观可加工薄膜可以集成在一系列具有不同形状、材质以及复杂形变条件的基体上,在弯曲/拉伸形变下表现出稳定的紫外光电响应性能,有望成为新一代透明柔性光电薄膜材料。
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