准一维ZnO纳米材料的力光电耦合性能研究

发布时间：2020-08-11 14:52

【摘要】：氧化锌(ZnO)纳米材料由于其独特的压电和半导体耦合特性,在光电探测器、应力传感器、纳米发电机等领域有着广泛的应用前景。为了进一步优化器件性能,探讨器件在复杂多场环境中的应用,对ZnO纳米材料的力光电耦合性能及相互作用机理进行深入系统研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用气相沉积法制备了一维ZnO纳米材料。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜和光致发光谱仪等多种技术手段对ZnO纳米材料的形貌和结构进行了表征。利用原子力扫描探针显微镜对ZnO纳米线的电学特性进行了研究。构筑了肖特基结的柔性紫外探测器,通过应变调控紫外探测器的性能。构筑了应力应变传感器,并通过引入光照对器件的性能进行调控。研究了一维ZnO纳米材料的电学特性及光调控对其影响规律。利用开尔文扫描探针显微镜研究了ZnO纳米锥的表面电势和电子浓度的尺寸效应。在NW直径较小时(400nm),表面电势随着直径增大线性增大。当直径大于400nm时表面电势达到最大值并保持稳定。在紫外辐照下,纳米线与PtIr探针的表面电势差不断增大,在40min左右达到饱和值5.371eV。ZnO纳米锥的电子浓度在紫外辐照下不断增大,在照射大约60min后,电子浓度达到饱和值2.68×1017。利用ZnO纳米/微米线与Pt电极在柔性基底上构筑了紫外探测器并研究了力调控对器件性能的影响规律,在波长为365nm,功率密度为0.5mW/cm2的紫外辐照下,器件在4V偏压时的光暗电流比为2.98,响应时间和恢复时间分别为9s和10s。利用压电效应可以有效的调控紫外探测器的性能。在引入压缩应变后,器件的光暗电流比达到了5.34,响应时间和恢复时间分别为3.7s和6.0s。研究了光调控对力电器件性能的影响规律。基于单根ZnO纳米/微米线在柔性基底上构筑了应力传感器,在无紫外辐照12V偏压下,随着加载力增大,电流从2.99nA线性减小到1.57nA;引入紫外辐照后,在2.5V偏压下随着加载力增大,电流从2.82nA增大到了8.75nA,呈指数方式增大。基于ZnO四针构建的应力传感器。利用紫外光调控肖特基结区的势垒高度,器件的灵敏度从0.17A/N提高到了2.05A/N。利用ZnO纳米/微米线与PEDOT：PSS构建自驱动应变传感器,可以实现器件以太阳光照为能量来源的自驱动运行。在太阳光照射下,器件灵敏度比提高133.5倍达到1×104。利用得到ZnO纳米四针的支腿的锥状结构,测试ZnO纳米锥在不同直径处的杨氏模量。ZnO纳米锥随着直径从从418nm减小到62.4nm,ZnO纳米锥的杨氏模量从73.9GPa减小到了2.3GPa。ZnO纳米线直径从259nm增大到446nm,材料的塑性形变的阈值从53μN增加到了113μN。而断裂阈值则从92μN增大到了148州。利用原子力显微镜对ZnO纳米锥定点做力曲线的方法,可以定点地将纳米线加工成原长度范围内所需要的长度。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O614.241
【图文】：

结构示意图,禁带宽度,宽禁带半导体材料,直接带隙

图2-1 ZnO的结构示意图ZnO是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它在常温下的禁带宽度是7eV,与GaN的禁带宽度相似，是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，同时

SEM形貌,纳米,SEM形貌,纳米晶须

其它形状较特殊的准一维纳米结构，如纳米空心球、纳米桥、纳米钉及纳米盘等等。图2-2是王中林教授制备的各种形貌的ZnO纳米结构，包括纳米带、纳米螺旋、纳米线阵列、纳米梳、纳米弓、纳米环、空心纳米管、多面体纳米格、纳米螺装阵列、多孔线、四针状纳米晶须等[24]?-3-

性能曲线,电输运,单根,性能曲线

25?15{rc温度范围内，ZnO纳米棒的电阻随温度上升而下降，而在N2、10%H2、02、N2O及C2H4等不同气氛里，纳米线的电阻基本不变。图2-3是单根ZnO纳米棒的电镜图片和不同温度下的电输运性能测试曲线。二2x10. t T.,^c ,：;：：：；：：：??‘ ?? T?125C ?‘--Z 0； . I 、 .....一一O .2x1。丨丨:H;::::::;::::'-4?10 十.,--0.4 -02 00 o7 04TT——Nl.i，.；■ Voltag?(V)图2-3 (a)单根ZnO纳米棒的电镜图片；(b)不同温度下的电输运性能曲线Li等人研宄了单根ZnO纳米线的电输运性能，研究发现纳米线两端所加的电压与电流成线性关系，电导在打^u和关闭紫外福照纳米线时发生大的变化，而且打^u光照时电导增加的速率比关闭光照时电导减小的速率要快。在真空中测试时，在紫外辖照条件下，电导增加的速率比在空气中电导增加的速率要快，同时研究发现纳米线的电导随着环境的温度的升高而增大，研究者认为纳米线的电导受表面的吸附的氧离子的影响很大，这为把ZnO纳米线用作气体传感器提供了可能。Liao等人研宄了表面态对单根ZnO纳米线电输运性能的影响

【共引文献】