基于氧化锌纳米棒的光电转换材料与器件

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氧化锌(Zn O)是一种重要的宽带隙化合物半导体材料,其室温下的禁带宽为3.37eV,激子束缚能高达60 meV,具有优良的光电性质和丰富的形态结构。纳米氧化锌具有表面效应、体积应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等各种特殊性质,加之ZnO的制备工艺简单,成本低廉,使得ZnO成为传感器等领域极为重要的一员;基于纳米ZnO的光电转换材料和器件更是成为各应用领域广泛关注和研究的对象。石墨烯(G,Graphene)独特的六方晶体点阵结构赋予其多种优异特性,如良好的电子传输特性;优良的透光性;优异的机械性能和热学性能;超大的比表面积和超轻的质量等;而且其原料储量丰富,这些优点使得石墨烯在微电子和集成电路技术高速发展的今天备受关注,并逐渐在许多领域得到广泛应用。本论文采用水热法分别在提拉法和磁控溅射法制备的ZnO晶种基底上生长出了一维ZnO纳米棒阵列薄膜(ZNF,ZnO Nanorod-Array-Film),采用氧化-还原法制备了石墨烯,最终成功制得了金属-ZnO及石墨烯-Zn O(G-ZnO)肖特基结,并通过多种表征手段对ZNF、石墨烯以及Zn O基肖特基结构的制备工艺、生长机理和影响因素进行了探究,主要研究内容和结果如下:(一)分别采用提拉法和磁控溅射法在玻璃基底上制备了ZnO晶种,再通过水热法在该晶种基底上制备了一维ZnO纳米棒阵列薄膜。其扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)结果显示,实验制备的ZnO纳米棒呈六棱柱状,且沿c轴(0001)方向择优生长;ZnO阵列薄膜的纯度很高;与提拉法相比,溅射法制备的晶种基底上生长的ZnO纳米阵列的结晶度、均匀度、整齐度和垂直度均好很多;ZnO纳米棒的尺寸与水热生长液的浓度、生长时间以及晶种形貌有关,可通过改变这些因素来控制ZnO纳米棒的尺寸和ZnO阵列的密度等形貌特征。(二)采用磁控溅射法在铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)和铁(Fe)五种金属基底上制备了ZnO晶种薄膜,然后采用水热法在ZnO晶种基片上成功生长了ZnO纳米棒阵列。其光致发光谱(PL)、I-V特性曲线、XRD测试结果显示,ZnO结晶度高,产物纯净,深能级缺陷少,晶体质量好,ZnO纳米棒阵列均匀、整齐、有序,且ZnO纳米阵列与金属基底之间形成了半导体-金属肖特基结。(三)采用氧化-还原法制备了石墨烯薄膜,其Raman图谱显示,与500℃相比,1050℃高温还原的石墨烯薄膜结晶度较好,缺陷较少,厚度较大。通过实验对比分析发现,石墨烯的还原程度与还原温度和还原前氧化石墨烯的状态有关。(四)分别将氧化-还原法和CVD法制备的石墨烯与ZnO阵列结合,并通过对石墨烯进行p型掺杂和对氧化锌进行n型掺杂及表面处理,成功制备出了性能良好、肖特基势垒稳定的G-ZnO肖特基自供能光电探测器。本论文采用两步法生长的ZnO纳米棒阵列不仅尺寸形貌可控,而且重复性非常高,这对于后期制备基于ZnO纳米棒的光电转换材料与器件的研究具有十分重要的作用和意义。
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