自供电PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO异质结日盲紫外探测器的制备及其特性研究

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日盲紫外探测技术由于其抗干扰能力强、高灵敏度逐渐引起了科研人员的关注。由于Ga2O3具有合适的带隙(4.8-5.61 e V)、无需合金以及制备方法简单等优势,逐渐成为日盲紫外探测的优势材料之一,并得到广泛研究。基于Ga2O3的探测器大部分都需要提供电源才可以工作。因此一种无须外加偏置,自供电型日盲紫外探测器逐渐成为新的研究热点之一。在众多的可实现Ga2O3基自供电探测的类型中,由于有机物具有可溶液生长以及可旋涂的工艺优势,利用有机物代替金属材料或者其他半导体形成有机-无机异质结实现自供电探测器已经成为新的研究方向。有机PEDOT:PSS(聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸)溶液直接通过旋涂工艺便可方便应用,具有更加廉价、制备工艺更简单的优势。且PEDOT:PSS亦可与Ga2O3形成整流型有机-无机异质结等实现自供电特性。但,目前Ga2O3基日盲紫外探测器大部分均基于β-Ga2O3实现,需要提供高温环境才能实现其生长或者转化,这无疑为制备β-Ga2O3增加了工序和难度。相对而言,α-Ga2O3同样具有利用水热法等简单工艺更易制备的特点,且在日盲紫外区亦有较高的光电转换效率。因而,选择PEDOT:PSS和α-Ga2O3形成异质结实现自供电探测器可以推动Ga2O3基日盲紫外探测器向着节能环保和成本低廉的方向进一步发展。鉴于此,本论文采用简单的水热法和退火法制备出α-Ga2O3纳米柱阵列,利用旋涂法制备PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO异质结,研究了材料性能和器件的自供电特性,主要内容如下:(1)以硝酸镓为反应源,通过水热法以FTO为衬底制备了Ga OOH并利用热退火(550°C)将Ga OOH转化成α-Ga2O3。α-Ga2O3的光学带隙为5 e V左右。PL谱中观察到了位于3.18 e V处的施主受主对发光。作为常见缺陷,VO的存在对缺陷发光起到重要的作用。而在对O1s高精度XPS图谱分析中,我们观察到了位于532.7 e V的与VO相关的特征峰,证实了VO的存在。(2)利用旋涂工艺制备了PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO异质结。胶状的PEDOT:PSS将α-Ga2O3包裹,厚度为70-100 nm。异质结的光学带隙为4.9 e V左右,与α-Ga2O3接近,说明PEDOT:PSS对异质结带隙影响较小。通过对异质结进行Raman测试,我们同时观察到了PEDOT:PSS的特征峰和α-Ga2O3的特征峰。这既说明PEDOT:PSS结晶质量较高,又说明其对α-Ga2O3的晶体结构没有产生影响。(3)研究了PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO探测器的自供电特性。器件的整流比最高可达63(±2 V)。在0 V偏压下,探测器的峰值响应度可达1.0’10-3 A·W-1(245 nm),比α-Ga2O3/FTO器件提高了四个量级以上,紫外可见抑制比也达到1288,但探测器的衰减时间较长为0.198 s,这可能与空穴束缚在VO等缺陷上而导致的寿命被延长有关。(4)通过能带图详细阐述了PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO探测器的自供电机理。α-Ga2O3/FTO异质结势垒均低,内电场弱,无法起到明显的整流效果。因此,PEDOT:PSS/α-Ga2O3/FTO器件体现出明显的整流特性主要来源于PEDOT:PSS/α-Ga2O3异质结界面。这也说明,PEDOT:PSS/α-Ga2O3异质结界面的势垒高度比α-Ga2O3/FTO界面更高,内电场更强。在0 V偏压和紫外光照射下,光生载流子产生和分离主要发生在PEDOT:PSS/α-Ga2O3异质结界面。对于α-Ga2O3/FTO器件,光需要透过纳米柱阵列才可在α-Ga2O3/FTO界面产生光响应。因此,通过在α-Ga2O3/FTO表面形成PEDOT:PSS/α-Ga2O3异质结有效提高自供能特性。
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