一维ZnO纳米材料压电电子学效应及其应用基础

发布时间：2018-06-21 12:59

  本文选题：纳米氧化锌 + 压电子器件　； 参考：《北京科技大学》2017年博士论文

【摘要】：界面工程学逐渐成为近年来半导体纳器件领域的研究热点。ZnO作为种直接带隙n型半导体,具有优异的光学、电学、力学等特点,特别是压电和半导体耦合特性而在界面工程领域受到广泛关注,并发展成为一全新的研究领域-压电电子学。本论文采用化学气相沉积法和水热法制备了高质量的维ZnO纳米材料,构建了多种异质结器件,系统研究了压电极化电荷对异质结界面载流子传输行为的调控规律；揭示了这种调控行为在光辐照场下的演变规律；提出了金属颗粒表面修饰增强压电电势的有效手段。利用原子力显微镜导电Pt/Ir针尖与ZnO侧面接触,研究了应力诱导的压电极化电荷对肖特基界面载流子传输行为的调控机制。ZnO微米线受到应力时在ZnO-Pt/Ir界面产生正极化电荷降低了界面肖特基势垒高度,导致源漏电流随着应力的增大指数增大。根据这种原理设计并构建了悬臂式的ZnO-Pt/Ir肖特基结的压电子应力传感器,器件灵敏度达到451nA/pN。通过调节源漏极间距,提高了器件的灵敏度、分辨率和探测下限。间距由300μm提高到540μm时,应力每增加10 nN, ZnO-Pt/Ir肖特基势垒高度变化量提高65%。这是由于间距越大,相同应力下产生的压电电势增大。利用阻抗测试分析了不同应力下的肖特基界面,发现1.47%的压应变下肖特基界面电阻增加了250%,耗尽层宽度由150 nm增至435 nm,验证了应力产生的极化电荷可以实现对肖特基界面的调控。构建了异质结自驱动光电探测器,研究了压电极化电荷对异质结界面光电响应的调控机制。ZnO/Au肖特基型自驱动光电探测器对紫外光响应灵敏度为103,响应及回复时间均小于0.1 s。当ZnO受到0.580%的拉应变时,光电流提高了530%,光电流的增加是由于ZnO在拉应变下产生负压电极化电荷,从而增大了肖特基势垒高度,促进了光生电子空穴对的分离。第二种是ZnO/P-Si的pn结型自驱动光电探测器,零偏压时器件对紫外光的响应灵敏度达到104,响应及回复时间均小于0.2s。压应变为1.6%时光响应电流减小了56.4%,这是由于压应变下ZnO产生的正极化电荷引起pn结界面能带凹陷,捕获载流子,从而抑制了光电流的产生。构建了ZnO/Au、ZnO/Pedot异质结结构,揭示了在光场下压电极化电荷对异质结界面调控的失效行为。随着紫外光照强度的增大,每1%压应变引起的界面势垒高度变化量逐渐减小。这种光照下压电势对界面调控能力减弱是由于光照下ZnO的载流子浓度升高增强了自由电子对压电势的屏蔽效果。光照强度为1.2 mW/cm2时,电子浓度达到了1019 cm-3,压电势被完全屏蔽,压电电子学效应失效。制备了纳米Au颗粒修饰的ZnO纳米线阵列,提高了压电电势。Au颗粒诱捕ZnO中的自由电子在表面形成耗尽层,减小了ZnO中的自由电子浓度。Au修饰后构筑的压电发电机输出提高了10倍,证实了载流子浓度的减小显著地削弱了屏蔽效应。电化学阻抗谱测试结果表明Au修饰后,发电机阻抗增大了10倍,时间常数提高了5倍以上,进一步表明了Au颗粒修饰后ZnO中的自由电子浓度降低,压电势被屏蔽的效果减弱,有利于压电势对界面的调控。
[Abstract]:As a direct bandgap n - type semiconductor , ZnO has been widely paid attention in the field of interface engineering as a direct bandgap n - type semiconductor , and has been developed into a new field of research - piezoelectric electronics .
The evolution law of this kind of regulation behavior under the light irradiation field is revealed .
ZnO / Au Schottky self - driving photoelectric detectors have been designed and constructed to reduce the Schottky barrier height by adjusting source / drain spacing . The second is that ZnO / Au Schottky self - driving photoelectric detector has a negative piezoelectric polarization under tensile strain .
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ132.41;TB383.1

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