氧化锌基纳米复合材料的制备及其紫外光探测器应用研究

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紫外光探测器件在光通讯、光开关和光成像等领域具有广泛的应用前景。直接带隙半导体氧化锌材料的禁带宽度为3.4 e V,室温激子束缚能为60 me V,环境友好且易于制备,有望在紫外光探测领域应用。然而,本征氧化锌载流子浓度较低、电子空穴复合速率较快等缺点限制了其光探测应用。本论文针对上述问题,设计并制备基于氧化锌复合结构,包括同质结、异质结的构建及等离子金的修饰,实现了氧化锌纳米材料紫外探测器性能的提升。本论文主要研究内容如下:(1)通过化学气相沉积法(CVD)和直流磁控溅射法制备了p-ZnO:Na/n-ZnO:Al的核壳同质结。研究了不同Na掺杂量对纳米棒导电性能的影响。结果表明当钠掺杂原子百分比为5.8%时,ZnO的空穴浓度达到1.0×1017cm-3。霍尔测试、低温光致发光光谱、和异质结的电致发光光谱证明了ZnO的p型导电特性。p-ZnO:Na/n-ZnO:Al同质结表现出了良好的光探测能力,响应上升和下降时间均小于0.08 s。(2)通过水热法和水浴法在玻璃衬底上制备了ZnO/Zn S异质结。系统地研究了不同厚度Zn S壳层(硫化时间)对ZnO/Zn S异质结纳米棒光电性能的影响。结果表明,随着硫化时间的增加,异质结近带边发光减弱,缺陷发光明显受到抑制,且异质结的能带随着硫化锌壳层厚度的增加先减小后增大。当硫化时间为3 h时,异质结器件的自供电光探测能力最强。在0 V偏压、功率密度为0.28 m W/cm~2的紫外线(365 nm)照射下,该器件的灵敏度、响应度和探测率分别为44.7,0.76 m A/W和1.85×10~8Jones;响应上升和下降时间分别为3.9 s和0.08 s。并且,ZnO/Zn S异质结器件表现出优异的环境稳定性和紫外可见抑制比(R365 nm/Rvisible=109)。(3)通过简易浸渍提拉法在玻璃纤维丝上制备了ZnO/Ti3C2Tx纳米复合材料构成的光探测器。结果表明,二维Ti3C2Tx纳米片的修饰可以显著提升ZnO的光探测能力。ZnO在5 V偏压下的响应度仅为0.014 A/W(光功率密度0.28 m W/cm~2);而ZnO/Ti3C2Tx复合材料在相同测试条件下的响应度提高约360倍,为5.05 A/W,且外量子效率(EQE)高达1727%。同时,ZnO/Ti3C2Tx器件表现出了优异的响应速度,响应上升时间和下降时间分别为1.6 s和4 s。在光开关和紫外成像领域展现出良好的应用前景。(4)通过水热法制备了ZnO纳米棒,研究了Au、Al2O3和Au/Al2O3的修饰对纳米棒的光电性能的影响。结果表明,Au或Al2O3的修饰都会抑制ZnO的缺陷发光,而近带边发光显著增强。研究表明本文中最优的Au纳米颗粒大小和Al2O3壳层厚度分别为3-4 nm和6 nm。基于ZnO/Au/Al2O3的肖特基型光探测器表现出了良好自供电光探测能力。在0 V偏压、功率密度为0.6 m W/cm~2紫外线(365 nm)照射下,ZnO/Au/Al2O3器件的灵敏度、响应度和探测率分别为805、6.8 m A/W和1.7×10~9Jones;响应上升和下降时间均小于0.16 s。(5)通过原子层沉积法、磁控溅射法、碘化法和等离子沉积法,制备了ZnO/CuI/Au异质结器件。结果表明,纳米Au修饰的异质结不仅能极大提升其光探测能力,而且可以延缓器件的老化。对比研究表明,在0 V偏压和0.28 m W/cm~2紫外线(365 nm)照射下,ZnO/CuI/Au器件的开关比、响应度和探测率分别为4250、61.5 m A/W和1.7×1010Jones。器件在连续1000次光响应测试后仍能保持98.9%的光探测能力。空气中放置六个月其探测能力仍保持97.1%,而ZnO/CuI异质结构的光探测能力仅仅保持80.6%。此外,在1 V偏压下,器件的响应电流可达到18μA,且响应度高达1.78 A/W。
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