氧化锌基复合材料的制备及其光敏特性研究

发布时间：2020-03-25 01:35

【摘要】：氧化锌(ZnO),Ⅱ-Ⅵ族宽禁带(3.37eV)半导体材料,六方纤锌矿结构(晶格常数a,c分别为0.3249 nm,0.5206 nm),激子束缚能60 meV,比GaN和ZnSe的激子束缚能都高的多。在室温下,ZnO材料的光电器件也能实现高效的激子复合发光,因此,ZnO被认为是蓝-紫外区域中很有前途的光子材料;ZnO原材料来源渠道多,价格适宜,没有毒没有污染,ZnO比其他宽禁带材料的抗辐射能力都好得多;它生长温度很低,不经过高温相应的缺陷也就少很多;此外,ZnO有量子约束特性,它会展现出比体材料更优越的光电特性。在短波长光电器件领域,人们都将ZnO材料看做是第三代半导体材料,其发展潜力甚至被认为超过了GaN。石墨烯被学术界视为新一代的半导体材料,因为它的结构很独特。与其它碳材料相比,石墨烯比表面积很大,结构独特,致使它拥有很好的力、热、电、磁学性能。它在光电器件、复合材料、传感器以及存储器这些地方具有很高的研究价值。在光电领域,石墨烯室温下电子迁移率达到2×10~5cm~2/(Vs),比碳纳米管或硅晶体高,甚至超过了大部分金属。石墨烯是一种极其有前景的透明导电半导体材料,吸光率仅2%,因而它可作为光探测器、太阳能电池的透明电极。PVK,中文名N-乙烯基咔唑,分子式C_(14)H_(11)N,分子量193.25。PVK是有利于空穴传输的有机半导体聚合物,其空穴传输性能在众多有机聚合物中最为优良。PVK的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占用的分子轨道(LUMO)能量分别为-5.8eV和-2.3 eV。PVK电性能良好,其光电导性能使得其可充当全息照相的感光材料。PVK具有强烈的蓝色发射激发态单峰,峰值约为420nm。PVK已被广泛用作电子和光学材料。本论文主要包含两大模块来进行,第一模块是ZnO-rGO(氧化锌-还原氧化石墨烯)紫外光电探测器和ZnO紫外光电探测器构造的内容,第二模块是ZnO-PVK异质结光电探测器原型构造的内容。主要研究内容和结果如下:第一模块主要构造了ZnO-rGO紫外光电探测器和ZnO紫外光电探测器。难点在于:一是查阅大量的文献,并与实验室当前情况相结合,从而确定实验方案;二是ZnO-rGO复合材料的制备过程;三是ZnO-rGO紫外光电探测器和ZnO紫外光电探测器两种原型器件如何构造的问题。这一模块成功制备出来了ZnO-rGO复合材料并构造ZnO-rGO紫外光电探测器和ZnO紫外光电探测器。通过IV表征,发现ZnO-rGO光电探测器的光电流和光暗电流比远大于ZnO光电探测器的光电流和光暗电流比。然后使用XRD,拉曼,PL光谱,透射光谱和光电流测试来详细研究了这种机制,结果表明ZnO-rGO紫外光电探测器更大的光电流源于载流子寿命较长和载流子重组系数较小。这一模块的研究为制备构造高速光响应UV光电探测器提供了一种潜在的方法。第二模块主要将n型ZnO半导体材料与有利于空穴传输的有机半导体聚合物PVK进行结合,想要构造出ZnO-PVK异质结光电探测器原型来。而ZnO-PVK异质结光电探测器原型的构造就是要突破两个难点:一是制备出来导电性很好的一维ZnO纳米棒阵列;二是成功构造出ZnO-PVK异质结结构,并可以测试出良好的整流曲线。这一模块工作主要分为ZnO-PVK复合材料的制备和ZnO-PVK异质结结构的构造与表征两个方面来开展。这一模块的难点在于ZnO-PVK异质结要成功构造并可以测出很好的整流曲线来。这个课题一直都是在尝试着开展,通过IV曲线可以发现:ZnO-PVK异质结光电探测器的光照电流均大于黑暗电流,这说明异质结构已经有了一定的探测效果。但是始终没有得到过整流曲线,这是因为构造的异质结结构虽然有了一定的探测效果,但是还没形成有效势垒的缘故。对比复合薄膜材料和纯ZnO薄膜材料的吸收曲线可以发现,ZnO-PVK复合薄膜材料对紫外光的吸收强度更大。与ZnO薄膜相比,ZnO-PVK复合材料的PL谱的强度明显有了降低。这说明ZnO与PVK之间存在着有效的电荷转移。总之,本论文成功构造出来了ZnO-rGO紫外光电探测器和ZnO紫外光电探测器,成功构造出来了具有光探测效果的ZnO-PVK异质结光电探测器。这些研究为制备构造高速光响应UV光电探测器提供了一种潜在的方法,是极其有意义的。
【图文】：

晶体结构,半导体,紫外光电探测器,几何数

其器件的加工工艺相应也比较成熟；ZnO 半导体米结构，如：量子点、纳米棒阵列、纳米管等结构；Zn会展示出比体材料更优异的光电性能。因为 ZnO 半导体以它在光电领域的关注度和研究热度是极高的。在短波发光二极管、紫外光电探测器以及激光器方面。因此，有前途的光电子器件材料。1996 年到现在，关于 ZnO 有褪去过。全世界科研界每一年都会发表大量的与 ZnO关于它的课题研究成果一直都是呈几何数剧增的。对于展潜力甚至超过了 GaN 的半导体材料[6]。述化锌的晶体结构

示意图,原子点阵,纤锌矿,示意图

第一章绪论文称作 rocksalt[10]。ZnO 相应的晶体结构构型如图 1.1 所示：在室温下，ZnO 是六方对称型构型，对应 P63mc 空间群，具有纤锌矿型的稳定构11]。如果压强将近 10MPa 左右，它会形成盐岩矿型晶体结构；如果在立方结构的衬生长时，它会形成闪锌矿型结构。ZnO 是六方纤锌矿构型（晶格常数 a，c 分别为.3249nm，0.5206nm）。由图 1.3 观察可知，Zn-O46-负离子配位四面体是由 Zn 原子与相邻的 O 原子构成的；相同的，O-Zn46+正离子配位四面体是由 O 原子与四周相邻n 原子构成的。另外，，ZnO 中的 O 原子以六方密堆垛构型的单元格子排布，ZnO 中n 原子以六方密堆垛构型的单元格子排布，它的原胞依照 ABABAB……来排列。具构如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】