激光辐照富受主型氧化锌微米管微纳结构制备及光电应用研究

发布时间：2020-09-17 14:24

　　 ZnO由于其优异的光电性能,在紫外LEDs/LDs、太阳能电池和场效应晶体管等领域具有较大的应用潜力。光学气相过饱和析出法(OVSP)制备的富受主型ZnO(A-ZnO)微米管可作为光学微腔支持多重光学谐振模式,并在高效多彩荧光调控、低阈值紫外激光输出和片上集成光催化领域展现了优越的性能。激光由于具有瞬时高能量密度注入特性,是实现材料表面物理化学性质高效改性的重要方法之一。本研究采用248-nm KrF准分子激光辐照OVSP法制备的本征富受主型ZnO单晶微米管微腔,探究激光辐照富受主型ZnO微米管制备微纳结构的工艺及其对ZnO微米管光电特性的调控作用。研究表明,激光辐照可在ZnO微米管表面可控制备6种微纳结构,微纳结构的生长归因于激光辐照的热效应以及ZnO微米管稳定的Zn空位相关富受主,激光辐照下,ZnO表面温度高于分解温度,在激光快速加热冷却过程中,Zn空位点缺陷附近的ZnO热分解——表面再沉积过程,促使ZnO分子在管外壁重新成核自组织生长成不同形态的微纳结构。激光功率密度控制表面温度,决定了微纳结构的形貌,而微纳结构的尺寸和密度受脉冲数调控。通过拉曼光谱和紫外荧光光谱分析验证了微纳结构引入大量O空位和Zn填隙等表面缺陷态,微米管在能量密度200 mJ/cm~2、300个脉冲辐照条件下,其电阻率低至3.39×10~(-3)Ω·cm,比辐照前降低了一个数量级。具有微纳结构的ZnO微米管由于比表面积增大,其紫外光电探测及光催化降解性能得到显著增强。在紫外光电探测方面,在能量密度200 mJ/cm~2、100个脉冲辐照条件下,ZnO微米管紫外光响应度为27.08 A/W,是辐照前微米管光响应度的8倍,同时响应时间缩短75%。与传统ZnO单晶和薄膜结构相比,最大光响应度分别提高50倍和270倍。在光催化方面,通过6-nm表面Au纳米颗粒修饰,在能量密度150 mJ/cm~2、200个脉冲辐照后,ZnO微米管的光催化降解速率达到ZnO纳米粉的3.4倍,同时具有可循环利用性,可用于微流道芯片上集成动态光催化降解。本研究结果为宽禁带半导体微腔表面微纳结构制备及应用提供了新机遇。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN249;O643.36;O644.1
【部分图文】：

晶体场分裂,能带图,自旋,轨道

能溶于氨水、酸和碱等溶液，不溶于水和有机溶晶体结构：六方纤锌矿型、立方岩盐型和立方闪热力学稳定相是六方纤锌矿型晶体结构，在晶自组成一个六方密堆积的子格，这两个子格沿 c轴晶格常数为 0.3250nm，c 轴晶格常数为 0.520个 O 原子构成一个四面体结构，同样地，每个构成四面体。而立方岩盐型的 ZnO 在高压条件下变得到，立方闪锌矿型的 ZnO 在立方晶体结构在。锌矿结构的晶体对称性较差，造成其能带结构和晶体场分裂而形成的 ZnO 能带图。ZnO 的；价带表现为 p 型，价带顶部能级分裂成三个子于自由激子的不同激发态，从上至下依次称为9、Γ7 对称性[15]。

光谱图,光致发光谱,准平衡态

第 1 章绪论高能电子束激发下均可以发光，通常研究较多的是ence，PL）谱。PL 谱指材料受到光激发后吸收光子生电子-空穴对，导带电子和价带空穴通过弛豫达到，成为准平衡态，准平衡态下的电子和空穴再通过复强度或能量分布的光谱图。PL 谱是分析半导体光学泛应用于固体物理和材料科学领域。在室温下，一个最为明显的辐射峰，分别是位于 380 nm 左右的紫外ge，NBE）跃迁发光峰和 400-700 nm 的可见光区域DL）发光峰带[16]。

基本特性,单晶,陶瓷棒

第 1 章绪论子蒸气压过饱和后与氧分子反应，在成核区域沉积并逐步形成沿 c 轴生长的纤锌矿结构 ZnO 单晶微米棒。当 ZnO 微米棒生长至蒸气压较低区域时，由于内部温度较高，微米棒以 c 轴为中心分解形成微米管。该课题组采用上述方法通过光学浮区炉系统，在四个卤素灯热源功率为 1024W 的条件下加热 ZnO 陶瓷棒，以空气为载气，在陶瓷棒顶端获得了 ZnO 单晶微米管[11]。与传统 ZnO 气相生长法相比，OVSP 无需温度梯度作为生长驱动力，稳定性好、重复性高，所生长的 ZnO 微米管表面光滑、形貌完整且具有正六边形截面（图 1-3（a）），微米管长度可达 1 cm，直径约 100-150 μm，壁厚＜2 μm，是一种理想的腔体结构。图 1-3（b）是 ZnO 微米管的微观结构和衍射图谱，证实了ZnO 微米管是生长方向为（0001）（即 c 轴取向）的单晶结构，且结晶质量很高。

【参考文献】