氧化锌纳米阵列紫外探测增强效应研究

发布时间：2018-01-16 06:38

  本文关键词：氧化锌纳米阵列紫外探测增强效应研究　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：基于低维纳米材料的光电探测尤其是紫外探测领域,具有高性能、低成本、低功耗等特点,是纳米光电子材料与器件领域的研究热点。一维氧化锌(ZnO)纳米线阵列能够兼顾响应度和响应时间,同时可以结合纳米材料的属性和薄膜器件加工工艺,展现出良好的应用前景。但是,纳米线的晶体质量和合理的器件设计,仍是决定ZnO纳米紫外探测的关键因素。因此,本论文着眼于高性能ZnO纳米线阵列紫外光电探测器的设计、制备和表征,研究工作主要围绕着两个方面展开：ZnO纳米阵列的可控制备,探索不同实验条件对ZnO纳米阵列生长的影响,以及ZnO纳米阵列的尺寸调控规律；制备单根ZnO纳米线紫外探测器件,采用Ag贵金属修饰方法研究等离子体共振效应对其紫外光电探测性能的增强效应,并进一步推广到ZnO纳米线阵列器件上,实现了Ag纳米颗粒修饰增强型ZnO纳米阵列紫外探测,探讨局域表面等离子体效应对ZnO紫外响应增强机理。本文主要开展了以下方面的研究：1.分别采用溶液法和化学气相沉积法,在氮化镓(GaN)基底上实现了ZnO纳米阵列的可控制备,并确定了优化工艺条件。首先采用溶液法制备ZnO纳米阵列,详细探讨了反应物的浓度、反应温度、反应时间、种子层以及GaN晶体结构对ZnO纳米阵列的影响：为了进一步实现ZnO纳米阵列的可控制备与形貌优化,采用化学气相沉积法,分别探索了Au催化剂的厚度、反应物的总量和反应过程中系统的真空压力这三个实验因素对产物形貌的影响。此外,通过化学气相沉积法,并根据VLS和VS生长机制的竞争关系,实现了ZnO纳米片和纳米带的合成。2.采用XRD、SEM、TEM、PL光谱和拉曼散射等测试手段,分析了化学气相沉积法所制备的ZnO纳米阵列,结果显示所制备的ZnO纳米阵列具有较高的结晶质量,较大的比表面积,在空气中晶体表面具有氧气离子吸附。基于大面积垂直生长的ZnO纳米阵列,我们设计了两种结构的紫外光电探测器,分别测试了其紫外光响应性能。分析发现,表面氧离子对ZnO纳米阵列的性能具有重要影响。相对于PMMA包覆的器件A,有氧离子参与的器件B响应度提升161%,开关比提高29倍,响应时间从3.8 s降低至0.32s,恢复时间更是从33.72s降低至3.02s,各项性能指标均得到大幅提高。3.利用化学气相沉积法,制备了超长的ZnO纳米线,并基于此构筑了单根ZnO纳米线的紫外光电探测器,对比研究Ag纳米颗粒修饰后ZnO纳米线紫外探测性能的变化规律,提出Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应增强ZnO紫外光电探测性能机理模型。进一步构筑了Ag纳米颗粒局域表面等离子体效应增强型ZnO纳米阵列紫外探测器,器件的响应度从81.25 A/W提升至176.5 A/W,响应时间从320 ms降低至80ms(偏压5 V)。研究表明,器件性能的提升,主要来源于Ag纳米颗粒修饰后的金属-半导体异质结和局域表面等离子体共振效应。此外,该类型器件可在1V偏压的非饱和状态快速响应,器件的响应时间缩短至1.13 ms,恢复时间为1.57 ms,响应度为48mA/W。以上的研究结果显示了局域表面等离子体共振效应,可以大幅提高ZnO紫外探测器的响应度和响应时间等关键参数指标,具有重要的应用前景。
[Abstract]:Based on photoelectric detection of low dimensional nanomaterials especially UV detection field, has the advantages of high performance, low cost, low power consumption, is a hot research field of nano optoelectronic materials and devices. The Zinc Oxide 1D (ZnO) nanowire arrays can take into account the responsivity and response time, and can be combined with the properties and processing technology of nano thin film devices materials, show a good application prospect. However, the nanowire crystal quality and reasonable design of the device, is still the key factor determining ZnO nano UV detection. Therefore, this paper focuses on the design of high performance ZnO nanowire array ultraviolet photodetector, preparation and characterization, the main research work around two aspects: controlled preparation of ZnO nanowire arrays, to explore the effects of different experimental conditions on the growth of ZnO nanowire arrays, and arrays of ZnO size regulation; preparation of single ZnO nanowire UV detector. The enhancement effect of noble metal modified by Ag method to study the effect of plasma resonance of the ultraviolet photoelectric detection performance, and further extended to ZnO nanowire array device, realizes the modification of Ag nanoparticles enhanced ZnO nano array ultraviolet detection of surface plasmons response enhancement mechanism of ZnO UV. This paper mainly carried out the following research: 1. respectively by solution method and chemical vapor deposition (GaN) on GaN substrate to realize the controllable preparation of ZnO nanowire arrays, and determine the optimal process conditions. The first synthesis of ZnO nano array by using the solution method, discusses the concentration of the reactants. The reaction temperature, reaction time, effect of seed layer and the GaN crystal structure of ZnO nano arrays: in order to realize the control of ZnO nanowire arrays prepared with topography optimization, using chemical vapor deposition Product method, respectively to explore the Au thickness of the catalyst, effect of vacuum pressure system and the total reaction of the reactants in the three experimental factors on the morphology of the product. In addition, through chemical vapor deposition method, and according to the competition between VLS and VS growth mechanism, the synthesis of.2. nano ZnO and nano belt using XRD, SEM, TEM, PL spectra and Raman scattering measurements were analyzed by chemical vapor deposition method for preparing ZnO nano arrays, results showed that the crystalline quality of the ZnO nano array prepared with higher, larger surface area, crystal surface in the air with oxygen ion adsorption of ZnO. Large area nano array based on vertical growth, we designed two kinds of ultraviolet detector structure, the UV response performance were tested. Analysis shows that the performance of surface oxygen ions on ZnO nanowire arrays has an important influence. Compared with PMMA The coating device A, oxygen ions in the B device in response to enhance the degree of 161%, 29 times higher than the switch, the response time is reduced from 3.8 s to 0.32s, the recovery time is reduced from 33.72s to 3.02s, the performance indicators have been greatly improved.3. by chemical vapor deposition method, ultralong ZnO nanowires were prepared based on this system, and build the UV photodetectors of single ZnO nanowire, variation of comparative study of Ag nanoparticles modified ZnO nanowires UV detection performance, the localized surface plasmon resonance of Ag nanoparticles enhanced model ZnO UV detection performance mechanism. Further build Ag nanoparticles surface plasmons the enhanced ZnO nano array UV detector, the responsivity of the device was improved from 81.25 A/W to 176.5 A/W, the response time decreased from 320 ms to 80ms (voltage 5 V). The results show that the device performance, mainly to From the Ag nanoparticles modified metal semiconductor heterojunction and localized surface plasmon resonance effect. In addition, this type of device is available in the 1V bias of the unsaturated state of rapid response, the response time of the device is reduced to 1.13 MS, the recovery time is 1.57 MS, the response degree of 48mA/W. to the research results show that the local surface plasma resonance effect, can significantly improve the response of ZnO UV detector and response time and other key parameters, has important application prospect.

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN23

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本文编号：1431961