基于ZnO纳米结构的自供电紫外光电探测器

发布时间：2017-12-24 23:26

本文关键词：基于ZnO纳米结构的自供电紫外光电探测器　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：地球上的紫外线主要来自太阳的辐射,在日常生活中紫外线已被应用于医疗、杀菌、鉴定等领域,但是它也可以与人的皮肤产生一定的机理作用,严重的时候可引起皮肤癌。因此,对于紫外线的检测与防控引起了人们的广泛关注。自20世纪50年代以来,紫外探测技术的发展非常迅速,在远程控制、空间安全通信等方面都有着非常重要的作用。半导体的发展经历了以硅为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体,到二十一世纪,宽禁带半导体材料成为第三代半导体材料,它们具有只吸收紫外光,耐高温等优点。以第三代半导体材料为基础的紫外光电探测器可以节省使用滤光片的费用,并且具有较好的光电性能。以GaN、SiC等宽禁带半导体为基础的紫外光电探测器是这一领域的研究热点,但是此类半导体材料的单晶薄膜生长工艺复杂,衬底费用昂贵,不利于器件的大规模的生产。因此,寻找制备工艺简单,成本低,性能良好的半导体材料就显得尤为重要。ZnO具有和GaN相似的结构,在室温下,ZnO的禁带宽度为3.37eV,可以很好的吸收波长短于385nm的紫外光,对可见光具有光盲性。另外,ZnO具有较大的激子结合能(约为60meV),较高的电子迁移率,电子-空穴对的复合率较低,载流子的寿命较长等优点。ZnO具有良好的结晶性和生长各向异性,可形成纳米棒、纳米针、纳米片、纳米花等各种各样的纳米结构。制备工艺也具有多样性,人们已经通过水热法、热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积等方法,制备出ZnO的各种形态结构。ZnO的制备工艺相对比较简单,可以进行大批量的生产。传统的硅基探测器在实际生产中应用较多,但其在工作过程中需要外加偏压,在一些特殊环境中会限制其应用,制作工艺也较为复杂。具有三明治结构的光化学电池型紫外光电探测器,利用半导体与电解液形成的内建电场可以实现在不加外加偏压下正常工作。ZnO和光化学电池型自供电紫外光电探测器的优点引起了我们的研究兴趣,本论文中,我们采用水热法生长ZnO半导体材料,制作了基于ZnO纳米结构的光化学电池型自供电紫外光电探测器,并对其光电特性进行了研究。首先,我们利用水热法制备了 ZnO的纳米棒,将其作为光电阳极制备了紫外光电探测器,测得的最大响应度为0.02 A/W。考虑到ZnS和ZnO同属于Ⅱ-Ⅵ族化合物,禁带宽度为3.7eV,二者具有匹配的能级结构,可形成异质结,且ZnS颗粒附着在ZnO纳米棒的表面,可以增加光的散射,从而可增大光的吸收率。因此,我们对ZnO纳米棒进行了表面处理,在其表面附着了 ZnS纳米颗粒,形成ZnO/ZnS纳米棒核壳结构。以ZnO/ZnS纳米结构作为光电阳极,以去离子水作为电解液,Pt电极作为对电极,制备了自供电紫外光电探测器。在没有外加偏压下,最大响应度出现在340nm处,约为0.056A/W,比单纯的ZnO纳米棒结构的紫外探测器的响应度增大了 180%。当用365nm的紫外光照射时,测得响应时间约为0.04s。考虑到ZnO可生长为各种各样的纳米结构,不同的纳米结构的比表面积不同。多孔ZnO纳米片结构的比表面积较大,有利于增大材料与电解液的接触面积,从而提高紫外探测器的响应度。我们通过水热法制备了多孔ZnO纳米片结构,以此为光电阳极,去离子水为电解液,制备了基于多孔ZnO纳米片结构的自供电紫外光电探测器,测得最大响应度高于0.12A/W,在不加外加偏压的情况下,器件可正常运行,且具有较快的响应时间,上升时间和下降时间约为0.04s。在波长为365nm的0.0471 mW/cm2紫外光照射下,开路电压为0.4V,短路电流为 5.64uA/cm2。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN15;TB383.1;TN23

【参考文献】