ZnO基纳米棒阵列膜光生载流子定量化表征与复合过程的研究

发布时间：2020-04-07 09:27

【摘要】：氧化锌(ZnO)作为宽禁带半导体材料在光探测、光催化、太阳能电池等光电器件具有广阔应用前景。研究其在光的作用下体内载流子的产生与复合过程对提高这些器件性能有重大意义。本文以ZnO基纳米棒阵列膜的光电流时域曲线为主要研究对象,对光生电子的存储进行定量化,并讨论了Cu(CH_3COO)_2包覆及烧结温度对光生电子的存储、光响应与弛豫阶段载流子复合的影响。本文首先采用水热法合成ZnO纳米棒阵列膜,光电流测试结果表明ZnO纳米棒阵列膜具有显著的持续光电导效应。基于电流的物理定义,对光电流时域曲线的光响应和弛豫阶段分别积分,定义了光响应阶段单位电压获得的电荷量、弛豫阶段单位电压存储的电荷量以及电荷存储效率三个重要特征值。接着对ZnO纳米棒进行Cu(CH_3COO)_2包覆,将纯ZnO与包覆后ZnO在不同温度下烧结,研究包覆与烧结温度对ZnO纳米棒阵列膜存储电荷的影响。结果表明纯ZnO纳米棒阵列膜电荷存储效率随温度升高而减小,包覆后ZnO纳米棒阵列膜存在大量表面态,Cu~(2+)成功取代ZnO中的Zn~(2+)形成受主型缺陷Cu_(Zn),因此包覆后ZnO的单位电压获得与存储的电荷均减小。Cu_(Zn)在弛豫阶段作为复合中心会减小载流子寿命,从而使ZnO纳米棒存储载流子效率降低。但升高烧结温度会降低纳米棒表面态,因此包覆后ZnO纳米棒阵列膜存储载流子的能力随温度升高而增强。最后从ZnO基纳米棒阵列膜的光电流时域曲线得到暗电导、饱和光电导,同时进行指数拟合,再结合微观测试结果与能带理论,提出ZnO纳米棒中载流子复合存在快慢两个过程,慢过程与陷阱中心V_O~0捕获电子的过程有关,快过程为载流子通过V_O~(2+)、V_O~+、V~-_(Zn)等复合中心复合;光照后电子激发到V_O~+、V_O~(2+)中,使陷阱中心增多,复合中心减少,导致弛豫阶段更多电子通过慢过程复合;Cu_(Zn)在响应阶段是陷阱中心,参与慢过程复合,而在弛豫阶段是复合中心,参与快过程复合。
【图文】：

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 陷阱效应越显著，而空穴陷阱则与此相反。相对于通子来说，被陷阱中心捕获的载流子必须重新激发到阱的存在会大大增加非平衡态恢复到平衡态的弛豫的复合过程。设只存在单组复合中心，，而且光生载流子浓度远小 ， ， 电子空穴浓度， ， 分别对于空穴的复合中心密或为已经捕获了电子的复合中心密度和捕获了空穴

到光电流达到稳态（或达到 0.5 稳态值）所需的时间态值同一分值所需的时间。未考虑陷阱中心的作用，如图 1.2 假设存在单组复合阱与导带间不断交换电子，空穴陷阱与价带间不断导带和价带中能级占领相差一个玻尔兹曼因子，即 = ( ) = ( ) 为导带和价带中的有效态密度； 、 分别为电子为电子、空穴陷阱能级； 、 分别为电子空穴陷阱
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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本文编号：2617737