金屬氧化物半導體多孔膜材料光電性能評價的研究.pdf

1、金屬氧化物半導體材料由于其具有來源廣泛、性質穩(wěn)定、性能優(yōu)異、易于合成與調控等優(yōu)勢,被廣泛應用于光電探測、氣敏響應、太陽能電池、能量儲存和光催化降解有機物等領域中。在這些領域中,金屬氧化物半導體材料不但要與入射光交互作用,還要與其工作環(huán)境中的氣體分子進行交互作用。多孔膜材料因具有較大的比表面積,其與環(huán)境氣體分子之間交互作用有著先天的優(yōu)勢。因此,金屬氧化物半導體多孔膜在這些領域中備受重視。為了能夠更好的研究材料組成、結構與性能之間的聯(lián)系,開

2、發(fā)性能更為優(yōu)異的材料,評價金屬氧化物半導體多孔膜的光電性能尤為重要。本文正是以此為契機,提出硬件平臺與測試方式一攬子解決方案,來評價金屬氧化物半導體多孔膜的光電性能。
　　本文首先設計并制作了金屬氧化物半導體多孔膜的光電性能評價平臺。該平臺硬件系統(tǒng)由光源、環(huán)境控制、材料芯片、數(shù)據(jù)采集電路和測試腔五部分組成;軟件系統(tǒng)基于LabVIEW圖形化編程語言完成。該平臺主要有高通量測試、測試環(huán)境可控、材料光電流譜測試和自動測試四大特點。通過本

3、平臺可以實現(xiàn)光電導穩(wěn)態(tài)曲線(I-V曲線測試)、光電導時域曲線(σ-t曲線測試)和光電導頻域曲線三種測試(σ-λ曲線測試)。
　　依據(jù)導電模型,我們建立了描述金屬氧化物半導體多孔膜在一定環(huán)境氣氛下受光激發(fā)后的電流--電壓關系(即,光電導穩(wěn)態(tài)曲線測試方法)。制做了ZnO、SnO2、WO3和TiO2多孔膜材料芯片,并測試了其在暗態(tài)和紫外光條件下不同環(huán)境氣氛(干燥空氣、甲醛)中的穩(wěn)態(tài)電流電壓響應。通過遺傳算法,結合所推導的公式擬合得到各個

4、材料在不同狀態(tài)下耗盡層勢壘的變化,并進一步得到空穴利用率、耗盡層寬度的變化和耗盡層內載流子濃度的變化等微觀參數(shù)。測試結果表明,可以通過穩(wěn)態(tài)光電導曲線的測試來評價材料的光催化活性。
　　我們通過半導體材料光電性能測試平臺獲得了TiO2/SnO2金屬氧化物半導體多孔膜復合體系的光電導時域曲線,并從中提取光電導幅值以及弛豫曲線特征參數(shù)?；诠怆妼зx值我們提出了適應于光電導領域的光電轉換效率(IPCE),并用此來評價復合材料中光生電子與空

5、穴的分離能力,而基于半導體光電響應弛豫曲線獲得了復合體系中各個成分點的缺陷種類、密度以及能級位置,進一步證實了IPCE數(shù)據(jù)分析的結果。光電導時域曲線中IPCE的分析方法和弛豫曲線的分析方法較傳統(tǒng)的分析手段可以獲得更多、更準確、更本質的材料信息。
　　我們通過光電導譜的測試方式研究了真空退火與摻雜對金屬氧化物半導體多孔膜缺陷及其光電性能的影響。研究結果表明,真空退火的制備方法可以有效降低半導體材料中的缺陷,使得本征光電導更為突出;而

6、摻雜的方式會引入特定的缺陷,使得材料在本征光電導響應區(qū)間外也有一定的響應,進而擴展材料的波長響應范圍。通過分析發(fā)現(xiàn),光電導譜的測試方式可以原位、直接、快速和準確的表征材料中缺陷對光電性能的影響。
　　我們采用半導體光電性能評價平臺對水分子與金屬氧化物半導體光電性能的交互影響進行研究,金屬氧化物半導體多孔膜在光響應過程中與水分子和環(huán)境中其它分子(例如可揮發(fā)有機污染物)的交互作用極大的影響了其光電導時域曲線。
　　通過本文的研究