金属硫族化合物微纳结构的制备及其光电探测性能研究
发布时间：2020-04-16 02:52
【摘要】：光电探测器作为一种重要的光电元件在成像、传感以及自动化控制等领域具有重要的应用。功能化和集成化的需求促使光电探测器沿着压电、热电、磁电等多功能复合型探测方向发展。金属硫族半导体化合物作为一种重要的功能材料,具有优异的光学、电学、力学等特点,但是传统的具有压电效应的硫化物半导体材料的光响应范围小、压电调控能力差,因此急需开发出具有高性能、宽光谱响应的压电-光电探测复合器件。本论文采用物理气相沉积法和水热法合成了一系列金属硫族微纳材料;将微纳材料与有机、无机半导体材料复合,制备出了多种具有宽光谱响应的光电探测器;此外,结合材料本身的压电效应,系统研究了压电极化电荷对异质结器件光电探测性能的调控作用。(1)基于硫化镉(CdS)微米线与有机半导体聚噻吩(P3HT)的压电调控型自供能光电探测器:以金属铋(Bi)为催化剂,CdS粉末为原料,通过物理气相沉积法制备了直径分布均匀、长度可达一毫米、六方纤锌矿结构的CdS单晶微米线。在柔性聚苯乙烯(PS)基底上,将CdS微米线与P3HT复合制备出了 P-N结光电二极管,器件在暗态下具有良好的整流特性。该器件对紫外(365 nm)到近红外(780 nm)的宽光谱表现出自供能探测性能。当CdS微米线[001]端与P3HT接触时,对CdS微米线施加0.67%的拉伸应变会导致光电流提升230%;当CdS微米线[001]端与P3HT接触时,0.67%拉伸应变会导致光电流下降80%,光电流变化来源于压电电荷对P-N结内建势场的调控作用。至此,本文制得了基于CdS与P3HT复合结构的有机-无机压电调控型自供能光电探测器。(2)基于CdS纳米棒阵列与还原氧化石墨烯(rGO)薄膜的压电增强型宽光谱自供能光电探测器:以FTO导电玻璃为基底,利用水热法合成了 CdS纳米棒阵列,纳米棒平均直径为250 nm,长度为700 nm。以氧化石墨烯(GO)分散液为原料,在氢气气氛中,采用热还原法在CdS纳米棒顶端制备了均匀连续的rGO薄膜。通过合理的电极搭配,我们制得了基于CdS与rGO的肖特基型光电探测器。该器件在紫外(365 nm)至红外(1450nm)波段展现了快响应的自供能光电探测性能。此外,当对器件施加4%压缩应变时,器件的光电流和响应度提升了 11%。(3)基于CdS纳米带与拓扑绝缘体碲化锑(Sb2Te3)电极的宽光谱光电探测器:以Sb2Te3块材为原料,采用真空蒸发、光刻技术和热退火技术,首次制备了基于拓扑绝缘体Sb2Te3的微纳结构。测试表明Sb2Te3退火后具有良好的导电性。选用CdS纳米带为半导体材料,Sb2Te3的微纳结构为电极,制备了性能优异的光电探测器。测试结果表明Sb2Te3能与CdS纳米带形成P-N结,异质结界面处的内建势场有利于Sb2Te3在近红外光辐射下产生的光生载流子向纳米带转移,使得纳米带器件具有优异的近红外光电探测性能。
【图文】：
围内任意调控。目前，多孔阳极氧化铝模板已广泛用于制备多种一维纳米结构，如Ｔｅ逡逑纳米线、ＣｄＳ纳米线、ＣｄＳｅ纳米线及ＺｎＯ纳米管等。Ｘｕ邋（１９９６）等以多孔氧化铝为逡逑模板，采用电化学法制备了邋ＣｄＳ纳米线阵列，其形貌如图１－２所示［４２］。图中可以看出逡逑ＣｄＳ纳米线均匀的填充在氧化铝模板空隙中，纳米线直径与模板孔径保持一致，另外逡逑由于模板良好的取向性，制备的纳米线呈现出优异的阵列结构，这对于光伏器件的制逡逑备十分有利。逡逑图１－２邋０３５纳米线填充八八０模板的丁￡＂截面图。（３）低倍；（１３）高倍１４２］逡逑（２）水热法逡逑水热法是在水相体系中通过产物自组装形成各种各样微纳结构的方法，产物具有逡逑优异的晶体结构和良好的形貌。水热法广泛应用于各类光电、催化材料的合成制备。逡逑水热法的优点是在相对较低温度下反应条件容易控制、产物晶体构型丰富以及晶体位逡逑错密度低。另外最重要的一点是，低温条件保证水热产物可以生长在多种类型的基底逡逑上，大大拓宽了水热法在光电器件领域的应用。例如，Ｓｕｎｇ邋（２０１１）等通过两步水热逡逑法在导电的ＦＴＯ玻璃基底上制备了硫族化合物ＺｎＯ纳米森林［５８］。首先选取干净的ＦＴＯ逡逑玻璃作为基底，将ＺｎＯ量子点均匀滴涂在ＦＴＯ表面，接着在Ｚｎ（Ｎ０３）２、ＨＴＭＡ及ＰＥＩ逡逑的混合溶液中水热反应，，得到ＺｎＯ纳米线阵列；再将ＺｎＯ阵列表面的有机物配体清洗逡逑干净
逡逑最后在纳米线表面得到树枝状的ＺｎＯ阵列结构，其形貌如图１－３所示。将制得的纳米逡逑森林用于太阳能电池光伏材料，与传统ＺｎＯ阵列相比，树枝状ＺｎＯ纳米森林的光电转逡逑换效率提升了四倍，达到２．６３％，并且其填充因子也提升到０．５３。逡逑图１－３真实的森林图片以及ＺｎＯ纳米森林的ＳＥＭ图片［５８］逡逑Ｓｈｅｎ邋（２０１２）等选用柔性碳布为基底，通过水热法制备了三维多级ＺｎＣｏ２0４纳米逡逑线阵列，其形貌如图１－４所示。将其应用于锂离子电池阳极材料，测试结果显示该电逡逑极材料容量高达ＭＯＯｍＡｈｇ－１，此外该电极制作电池时不需要粘结剂，并且具有良好的逡逑柔性逡逑图ｌ－４ＺｎＣｏ２０４纳米线形貌和器件表征［５９］逡逑（３）静电纺丝法逡逑静电纺丝法是近年来（１９９４年）兴起的一种制备一维微纳材料的方法，具有工艺逡逑简便、制备效率高和便于批量化生产的特点。此外静电纺丝法制备材料的种类丰富，逡逑９逡逑
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15
本文编号：2629307
【图文】：
围内任意调控。目前，多孔阳极氧化铝模板已广泛用于制备多种一维纳米结构，如Ｔｅ逡逑纳米线、ＣｄＳ纳米线、ＣｄＳｅ纳米线及ＺｎＯ纳米管等。Ｘｕ邋（１９９６）等以多孔氧化铝为逡逑模板，采用电化学法制备了邋ＣｄＳ纳米线阵列，其形貌如图１－２所示［４２］。图中可以看出逡逑ＣｄＳ纳米线均匀的填充在氧化铝模板空隙中，纳米线直径与模板孔径保持一致，另外逡逑由于模板良好的取向性，制备的纳米线呈现出优异的阵列结构，这对于光伏器件的制逡逑备十分有利。逡逑图１－２邋０３５纳米线填充八八０模板的丁￡＂截面图。（３）低倍；（１３）高倍１４２］逡逑（２）水热法逡逑水热法是在水相体系中通过产物自组装形成各种各样微纳结构的方法，产物具有逡逑优异的晶体结构和良好的形貌。水热法广泛应用于各类光电、催化材料的合成制备。逡逑水热法的优点是在相对较低温度下反应条件容易控制、产物晶体构型丰富以及晶体位逡逑错密度低。另外最重要的一点是，低温条件保证水热产物可以生长在多种类型的基底逡逑上，大大拓宽了水热法在光电器件领域的应用。例如，Ｓｕｎｇ邋（２０１１）等通过两步水热逡逑法在导电的ＦＴＯ玻璃基底上制备了硫族化合物ＺｎＯ纳米森林［５８］。首先选取干净的ＦＴＯ逡逑玻璃作为基底，将ＺｎＯ量子点均匀滴涂在ＦＴＯ表面，接着在Ｚｎ（Ｎ０３）２、ＨＴＭＡ及ＰＥＩ逡逑的混合溶液中水热反应，，得到ＺｎＯ纳米线阵列；再将ＺｎＯ阵列表面的有机物配体清洗逡逑干净
逡逑最后在纳米线表面得到树枝状的ＺｎＯ阵列结构，其形貌如图１－３所示。将制得的纳米逡逑森林用于太阳能电池光伏材料，与传统ＺｎＯ阵列相比，树枝状ＺｎＯ纳米森林的光电转逡逑换效率提升了四倍，达到２．６３％，并且其填充因子也提升到０．５３。逡逑图１－３真实的森林图片以及ＺｎＯ纳米森林的ＳＥＭ图片［５８］逡逑Ｓｈｅｎ邋（２０１２）等选用柔性碳布为基底，通过水热法制备了三维多级ＺｎＣｏ２0４纳米逡逑线阵列，其形貌如图１－４所示。将其应用于锂离子电池阳极材料，测试结果显示该电逡逑极材料容量高达ＭＯＯｍＡｈｇ－１，此外该电极制作电池时不需要粘结剂，并且具有良好的逡逑柔性逡逑图ｌ－４ＺｎＣｏ２０４纳米线形貌和器件表征［５９］逡逑（３）静电纺丝法逡逑静电纺丝法是近年来（１９９４年）兴起的一种制备一维微纳材料的方法，具有工艺逡逑简便、制备效率高和便于批量化生产的特点。此外静电纺丝法制备材料的种类丰富，逡逑９逡逑
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 唐永连;视锥细胞、视杆细胞与视觉环境[J];中国眼镜科技杂志;2003年06期
本文编号：2629307
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