静电纺丝法制备无机纳米线阵列及其光电性能研究

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无机纳米线因为具有独特的电学及光学性能,广泛应用在场效应晶体管,透明电极,柔性显示,压电传感器,气体传感器,光电探测等领域。因为具有较大的比表面积和一维方向性,无机纳米线光基的探测器具有较大的响应度及光导增益。将这些具备特殊光电性质纳米线组装起来,有利于光电探测器的集成化及小型化发展。本文采用静电纺丝的方法来制备无机纳米线阵列,主要用于光电探测器的研究。主要研究内容和成果如下:1.基于文献的研究成果,使用“旋转辊”法和“分离电极”方法制备了 SnO2纳米线阵列,通过阵列的形貌观察,证明“分离电极”方法得到的纳米线阵列具有更高的有序性。因此,利用这种方法制备3nO2纳米线阵列来研究其光电性能。为了探究这种多晶材料与一般化学气相沉积所得的单晶材料的区别,比较了单晶SnO2纳米线与多晶纳米线阵列光电响应性能差异。实验证明多晶的纳米线阵列具有更低的暗电流,而导致相对较高的开关比。低温变温实验证明SnO2纳米线阵列器件在20 K-300 K温度范围内符合阿伦尼乌斯激活能公式,具有典型的半导体导电特征。由于纳米线是由颗粒组成的,多晶纳米线阵列具有较大的比表面积,因而在室温条件下就对CO,H2,NO2等气体表现出了响应行为。2.为了拓宽氧化物纳米线阵列的光谱探测范围,混合了两种互补带隙的ZnO及CdO材料,制得了 ZnO/CdO异质结纳米线探测器。XRD结果证明可以通过调控两种材料的前驱体比例来调控异质结中ZnO及CdO的含量。相比于纯的ZnO纳米线阵列,这种混合的异质结具有宽的探测范围,响应范围从紫外拓宽到了可见光区域。同时,复合之后的光电性能,比如开关比及响应速度也没有衰减,开关比在104范围内,响应及回复时间分别为4 s和3 s。将此异质结纳米线阵列电纺在云母衬底上时,证明有较好的抗弯折性能,经过200次循环弯曲后,其光电性能基本上不发生衰减。同时器件具有极高的透过率,在400-800 nm范围内,透过率达95%以上。3.为了进一步拓宽纳米线阵列探测器的光谱响应范围,在合成ZnO纳米线阵列的基础上,利用链交换的方法复合了 PbS量子点,制备了 ZnO纳米线阵列/PbS量子点薄膜器件的异质结探测器,具有从紫外-可见-近红外的全波段光探测能力。并且,相比于纯的ZnO纳米线阵列,复合之后的异质结对紫外光具有更快的响应及回复速度,响应时间从42 s降到了 9 s,回复时间从22 s减少到了 2 s。这种快速及稳定的响应在可见光及红外区域都能保持。将这种纳米线阵列/量子点薄膜异质结电纺在云母衬底上时,证明具有较好的柔性性能,经过180°循环弯曲200圈后,其光电性能基本上不发生衰减。这种制备一维纳米线与零维量子点的方法被证明具有一定普适性,可以扩展到其它的纳米线与量子点异质结的制备。4.为了进一步提高纳米线阵列的光探测性能,利用共轴电纺的方法制备了 Ti02纳米管阵列,由于具有较大的比表面积,纳米管阵列比纳米线阵列具有更高的响应度及探测率,分别为3.9×10-2 A/W及2×1011 Jones,是纳米线阵列的20倍及250倍。利用旋涂的方法修饰了 MAPbI3量子点后,其光谱范围从紫外拓宽到了可见光区域。同时,该异质结阵列具有潜在的柔性及透明器件应用前景。在经过不同角度及200次循环弯曲后,纳米管/量子点阵列仍能保持其响应度及响应速度不发生衰减。并且,在400-800 nm范围内,器件能保持85%以上的透过率。
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