ZnO纳米器件性能的力光电多场耦合调控研究

发布时间：2019-11-27 07:01

【摘要】：由于氧化物具有硅与I11-V族材料所不具有的众多优异特性,氧化物界面研究逐渐成为近年来半导体界面工程学领域的热点。在众多半导体氧化物中,ZnO由于宽禁带、高激子结合能与高电子迁移率而受到广泛关注。此外,ZnO中多种性质共存且相互作用,使其成为研究多场耦合现象最为理想的材料之一,并产生一种新的研究领域-压电电子学和压电光电子学。本论文围绕纳米ZnO的制备、异质结器件的构建及其损伤服役行为,系统研究了多场耦合对ZnO纳器件性能的调控作用。阐述了力场／光场对ZnO电输运性能的影响,深入分析了应力场对异质结光电器件载流子行为的调控机理,从屏蔽效应及界面角度研究了光场对压电电子器件性能的影响。利用化学气相沉积法制备了生长过程遵从气-液-固与气-固生长机理的ZnO纳米线。研究了水热法中生长次数及添加剂对产物形貌的影响：有限元模拟结果显示,较小的直径及较大的长度均有助于提高纳米棒的压电性能。水热法制备了钒掺杂ZnO纳米棒阵列,掺杂浓度0.8 at.%时测得最大纳米棒压电系数16.7 pm/V。结合双光束激光干涉与水热法制备了垂直生长的图案化ZnO纳米棒阵列。利用C-AFM研究了压电电子效应与材料表面极性的关系以及力场／光场耦合对Pt/Ir-ZnO肖特基异质结电输运性能的调控作用。对于沿c轴择优生长且具有Zn终面的ZnO纳米棒,在垂直压应力作用下Pt/Ir-ZnO界面肖特基势垒升高；而对于沿c轴择优生长且具有O终面的ZnO纳米棒,施加压应力界面肖特基势垒降低;沿ZnO纳米棒m轴施加应力,肖特基势垒变化可以忽略。对于c轴取向且具有Zn终面的ZnO来说,当同时施加0.46州压力与0.52 mW/cm2 355 nm光照时,Pt/Ir-ZnO电输运曲线与无应力且无光照下曲线基本吻合。构建了半导体ZnO/溶液型自驱动光电探测器,零偏压下器件光暗电流比约为102,响应与恢复时间为0.11 s。对ZnO施加0.15%压缩应变时器件光电流提高48%。电化学阻抗谱测试结果表明,应力场下ZnO中产生带负电的压电极化电荷造成界面能带弯曲,耗尽区宽度从4.6 nm增加至6.3 nm。因此,产生的有效光生载流子数量增多且传输路径变短,光电流增大。该测试手段可以作为压电调控作用定量研究的一种参考方法。构建了ZnO/Cu2O全氧化物pn异质结型自驱动光电探测器,系统研究了应力场下ZnO中压电电荷对p型Cu20中耗尽区宽度的影响规律以及光强与压电调控能力的关系。零偏压下器件响应度2.32 mA/W,响应与恢复时间分别为0.22 s和0.32 s。电容-电压表征结果显示,ZnO中产生的压电电荷不但能够影响ZnO侧空间电荷区大小,同样可以调控与其接触的p型材料一侧耗尽区。该器件在17.2 mW/cm2光强下每增加0.1%应变,光电流增加2.2%；87.8 mW/cm2光强下每增加0.1%应变光电流增加1.2%。这是由于高光强下Cu20中载流子浓度升高,屏蔽了部分压电电荷造成的。研究了金属-半导体-金属结构的ZnO压电电子应力传感器在不同强度紫外光场下的性能演变规律。无光照下,压电电子器件对0.53%压缩应变响应比约为200且具有良好重复性与稳定性；响应与恢复时间为0.3 s。随着紫外光强的增大,器件响应比从200减小到0.0017。这是由于光照下ZnO内部自由电子浓度升高,体屏蔽效应增强以及界面整流特性消失造成的。当光强大于0.7mW/cm2,即ZnO中载流子浓度大于1018-1019 cm-3时,0.53%应变所产生的压电电荷几乎被自由电子完全屏蔽,器件失效。
【图文】：

图２－３采用水热法制备的ＺｎＯ巧阵列顶视与侧视ＳＥＭ图逡逑

其优异的力学性能也是ＺｎＯ力光电z1合研巧成为提。但是，，纳米材料由于晶体取向及尺寸效应的影响，力面结构等因素有直接关系，因此力学参数的确定又具有很的测试标准。目前，研巧纳米材料力学性能的实验方法主点弯曲法、拉伸法及计算机理论模拟等，测量的性能主强度Ｗ及疲劳性能ＩＷ。逡逑性能逡逑应变提内邋＇

本文编号：2566513