喷墨打印氧化锌光探测器及其性能优化

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紫外光探测器在绿色照明、光通信、国防、航空航天等领域有着广泛的应用与发展前景。第三代新型半导体氧化锌(Zn O)材料是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体材料,Zn O的禁带宽度为3.37 e V。激子束缚能高达60 me V,远大于室温下的热激活能26 me V。此外,Zn O具有良好的光电导特性,光学增益系数高达320 cm-1,对紫外光有较强的吸收能力,同时还具有良好的压电和热电特性,而且原料丰富、成本低、无毒、环境友好。因此作为半导体紫外光电器件的重要材料,Zn O在电致发光和紫外探测领域具有重要应用潜力。本文采用一种先进的3D打印技术喷墨打印,对氧化锌光探测器进行全打印。这是一种崭新的方法。这样方法的特点就是制作成本非常低;制备速度快;材料利用率接近百分百;在低温下即可完成。本课题创新地成功地直接将氧化锌纳米粉末作为溶质配置成墨水,并成功打印出以聚酰亚胺为衬底的氧化锌柔性光探测器,论文的主要研究内容如下:第一,探究了纳米氧化锌颗粒直接制备氧化锌墨水的可行性。经过反复的实验探究,终于寻找到以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为最佳墨水溶剂。NMP为溶剂具备以下优点,最大限度溶解了氧化锌、可以稳定在低温下保存、溶液呈中性等。氧化锌墨水的成功配置极大方便了氧化锌的打印。第二,探究银纳米颗粒对氧化锌光探测器的影响及其机理分析。32 nm的银颗粒利用打印技术打印在氧化锌表面进行修饰。经过银纳米颗粒的修饰,钝化了氧化锌的氧空位深能级缺陷以及浅能级缺陷,减少表面吸附的羟基。钝化了浅能级缺陷,降低暗电流;银纳米颗粒的修饰,激发等离子激元效应,增强的光子的吸收,提高了光电流;钝化氧化锌的氧空位缺陷,以及减少了羟基的吸附,从而提升了器件的反应速度。第三,研究了盖层氧化铝对氧化锌光探测器的影响。利用原子层气相沉积法在氧化锌沉积氧化铝。实验发现沉积氧化铝层之后,表面漏电情况能够得到改善(暗电流),这说明氧化铝钝化了浅能级缺陷。光探测器的衰减时间也从10.42秒大大缩减到了1.51秒,说明氧化铝钝化了氧化锌的深能级缺陷,缩短了弛豫时间,提升了器件的反应速度,但光生电流和响应度有所下降。第四,研究了退火对盖层氧化铝-氧化锌光探测器的影响。退火后,氧化铝依旧能够钝化浅能级缺陷,降低暗电流。但退火后,氧化铝的碳杂质扩散到氧化铝层,以碳取代氧的形式进行掺杂。掺杂后氧化锌对光子吸收能力增强,从而使得光生电流、响应度提升一个数量级。但由于引入了新的深能级缺陷,降低了器件的反应速度。
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