玻璃纤维织物上氧化镓纳米阵列的原位生长及其柔性日盲紫外探测器的研究

发布时间：2020-10-21 05:04

　　 氧化镓是一种新型的宽禁带半导体材料,其禁带宽度为~4.9 eV,对应波长为253 nm,是天然的日盲紫外探测材料,近年来越来越受到研究人员的关注,并成为研究热点。目前,基于高结晶度氧化镓材料的日盲探测器具有高的化学稳定性和热稳定性,但通常都是以蓝宝石和石英等刚性材料为衬底,无法弯曲,限制了器件的应用范围。随着人们对便携化、娱乐化、健康化的可穿戴式电子设备不断追求,柔性光电子纺织品在未来具有巨大的市场前景,直接在柔性衬底上生长高结晶度的氧化镓具有重要的科学意义和实用价值。本文围绕氧化镓材料的基本物性,结合我校纺织学科的特色,开展了玻璃纤维织物上高结晶度β相Ga_2O_3纳米柱阵列和纳米线的原位生长及其在柔性日盲紫外探测器方面的应用基础研究,取得以下几个方面的成果:(1)在刚性衬底上探索了高结晶度Ga_2O_3纳米柱阵列的生长及其日盲探测器的制备。采用水热法在FTO衬底上原位生长GaOOH纳米柱阵列,并在400℃和700℃退火分别转变成α-Ga_2O_3和更加稳定的β-Ga_2O_3纳米柱阵列。分别制备了基于α-Ga_2O_3和β-Ga_2O_3纳米柱阵列的光电化学型日盲紫外探测器,均表现出明显的日盲紫外光电特性,β-Ga_2O_3纳米柱日盲探测器表现出更好的光电性能。(2)在柔性衬底玻璃纤维织物上采用水热法加后退火的方式原位生长获得了高结晶度β相Ga_2O_3纳米柱阵列,并制作了日盲光电探测器。采用磁控溅射法在玻璃纤维织物上先沉积一层ITO薄膜,然后通过水热法原位生长了GaOOH纳米柱阵列,并退火得到β-Ga_2O_3纳米柱阵列。结果表明,β-Ga_2O_3纳米柱沿着玻璃纤维丝圆柱体表面垂直生长,形貌均匀、整齐,呈菱形柱状,其截止吸收边为265 nm,对应的带隙为4.66 eV。制备了基于玻璃纤维织物Ag/ITO/β-Ga_2O_3NRAs/Ag垂直结构的日盲紫外探测器,在254 nm紫外光照下,该探测器的光电流随着光功率的增加而增加,同时随着偏压的增大而增大。当外加偏压为1.0 V、光功率密度为1.0 mW/cm~2的254 nm紫外光照时,该探测器在弯曲下的光电流达到13.5 pA,与在平面状态下几乎相同,表明该探测器适合用作柔性光电器件。(3)在柔性衬底玻璃纤维织物上采用化学气相沉积法原位生长获得了高结晶度β相Ga_2O_3纳米线,并制作了日盲光电探测器。采用化学气相沉积法制备了β-Ga_2O_3纳米线和纳米草,在少氧气氛下β-Ga_2O_3纳米线的生长过程受VLS和VS机理共同控制,而在富氧气氛下β-Ga_2O_3纳米草受VS机理控制。制备了基于玻璃纤维织物/β-Ga_2O_3纳米线的日盲紫外探测器,该探测器在光功率密度为1500μW/cm~2的254 nm紫外光照射下表现出高的光暗比(24.79)和高的光电流密度(3.39μA/cm~2)、高的光响应度(0.71 A/W)、高的外量子效率(246.6%)和快的响应速度(0.37s、0.19s)。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN23;TB383.1
【部分图文】：

玻璃纤维织物上氧化镓纳米阵列的原位生长及其柔性日盲紫外探测器的研究。在这些同分异构体中，β-Ga2O3最稳定，其他相均为亚稳相，这些亚稳相在定的温度下都能转变为稳定的 β-Ga2O3[21]，如图 1.2 所示。例如： -Ga2O3在温 700 ℃以上就转变为 β-Ga2O3，γ， 和 κ 相则分别在 550 ℃，500 ℃和 500 ℃温度条件下转变为 β 相，而 相为中间相，其在 400 ℃转化为 相，再在 500 ℃变为 β 相。同时它们的逆过程也是可以实现的，通过施加高压 β-Ga2O3在 4 GPa可以转变为 -Ga2O3，而 -Ga2O3在 37 GPa 下则可以转变为 -Ga2O3[29]。

下转变为 β 相，而 相为中间相，其在 400 ℃转化为 相，再在。同时它们的逆过程也是可以实现的，通过施加高压 β-Ga2O3在为 -Ga2O3，而 -Ga2O3在 37 GPa 下则可以转变为 -Ga2O3[29图 1.1 Ga2O3几种同分异构体的晶体结构[21-23]Figure 1.1 Crystal structures of several isomers of Ga2O3[21-23].

浙江理工大学博士学位论文蚀法[38]，电弧放电法[39]，碳热还原法[40]，微波等离子体法[41]，金属有机相沉积法[42]以及水热法[43,44]等。 热氧化法Patil-Chaudhari 等[30]在马弗炉里通过高温氧化 GaAs 制备了 Ga2O3纳米线 在 1050 °C 高温下加热时，会分离，砷被蒸发掉，留下液体镓富集在表面气流作用下被缓慢氧化成 Ga2O3纳米线。Bayam 等[45]利用该方法制O3纳米线的时候发现，纳米线形成之前，液体镓首先是形成薄膜状润湿面，然后高温下形成鼓包并破裂，使液体镓完全暴露在气体中，最终被氧Ga2O3纳米线(图 1.3)。
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本文编号：2849674