氧化鋅納米陣列紫外探測增強效應(yīng)研究.pdf

1、基于低維納米材料的光電探測尤其是紫外探測領(lǐng)域，具有高性能、低成本、低功耗等特點，是納米光電子材料與器件領(lǐng)域的研究熱點。一維氧化鋅（ZnO）納米線陣列能夠兼顧響應(yīng)度和響應(yīng)時間，同時可以結(jié)合納米材料的屬性和薄膜器件加工工藝，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是，納米線的晶體質(zhì)量和合理的器件設(shè)計，仍是決定ZnO納米紫外探測的關(guān)鍵因素。因此，本論文著眼于高性能ZnO納米線陣列紫外光電探測器的設(shè)計、制備和表征，研究工作主要圍繞著兩個方面展開：ZnO納米陣列

2、的可控制備，探索不同實驗條件對ZnO納米陣列生長的影響，以及ZnO納米陣列的尺寸調(diào)控規(guī)律；制備單根ZnO納米線紫外探測器件，采用Ag貴金屬修飾方法研究等離子體共振效應(yīng)對其紫外光電探測性能的增強效應(yīng)，并進一步推廣到ZnO納米線陣列器件上，實現(xiàn)了Ag納米顆粒修飾增強型ZnO納米陣列紫外探測，探討局域表面等離子體效應(yīng)對ZnO紫外響應(yīng)增強機理。本文主要開展了以下方面的研究：
　　1．分別采用溶液法和化學氣相沉積法，在氮化鎵（GaN）基底上

3、實現(xiàn)了ZnO納米陣列的可控制備，并確定了優(yōu)化工藝條件。首先采用溶液法制備ZnO納米陣列，詳細探討了反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、種子層以及GaN晶體結(jié)構(gòu)對ZnO納米陣列的影響；為了進一步實現(xiàn)ZnO納米陣列的可控制備與形貌優(yōu)化，采用化學氣相沉積法，分別探索了Au催化劑的厚度、反應(yīng)物的總量和反應(yīng)過程中系統(tǒng)的真空壓力這三個實驗因素對產(chǎn)物形貌的影響。此外，通過化學氣相沉積法，并根據(jù)VLS和VS生長機制的競爭關(guān)系，實現(xiàn)了ZnO納米片和納米帶的

4、合成。
　　2．采用XRD、SEM、TEM、PL光譜和拉曼散射等測試手段，分析了化學氣相沉積法所制備的ZnO納米陣列，結(jié)果顯示所制備的ZnO納米陣列具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，較大的比表面積，在空氣中晶體表面具有氧氣離子吸附。基于大面積垂直生長的ZnO納米陣列，我們設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)的紫外光電探測器，分別測試了其紫外光響應(yīng)性能。分析發(fā)現(xiàn)，表面氧離子對ZnO納米陣列的性能具有重要影響。相對于PMMA包覆的器件A，有氧離子參與的器件B響應(yīng)度提升1

5、61％，開關(guān)比提高29倍，響應(yīng)時間從3.8 s降低至0.32 s，恢復時間更是從33.72 s降低至3.02 s，各項性能指標均得到大幅提高。
　　3．利用化學氣相沉積法，制備了超長的ZnO納米線，并基于此構(gòu)筑了單根ZnO納米線的紫外光電探測器，對比研究Ag納米顆粒修飾后ZnO納米線紫外探測性能的變化規(guī)律，提出Ag納米顆粒的局域表面等離子體效應(yīng)增強ZnO紫外光電探測性能機理模型。進一步構(gòu)筑了Ag納米顆粒局域表面等離子體效應(yīng)增強型Z

6、nO納米陣列紫外探測器，器件的響應(yīng)度從81.25 A/W提升至176.5 A/W，響應(yīng)時間從320 ms降低至80 ms（偏壓5 V）。研究表明，器件性能的提升，主要來源于Ag納米顆粒修飾后的金屬-半導體異質(zhì)結(jié)和局域表面等離子體共振效應(yīng)。此外，該類型器件可在1V偏壓的非飽和狀態(tài)快速響應(yīng)，器件的響應(yīng)時間縮短至1.13 ms，恢復時間為1.57 ms，響應(yīng)度為48 mA/W。
　　以上的研究結(jié)果顯示了局域表面等離子體共振效應(yīng)，可以大幅