ZnO量子点及其紫外探测器的制备与特性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:play11200
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紫外探测技术在军事和民用领域都有广阔的应用前景。传统的真空光电倍增管和硅基光电二极管已无法满足人们日益增长的需求,紫外探测器必须不断推陈出新,相关领域的研究方兴未艾。氧化锌量子点(ZnO QDs)作为直接带隙的宽禁带半导体,具有可见盲吸收特性,以其为基础可以实现小型化的全固态器件,极其适合应用在紫外探测领域;同时其无毒无害,环境友好的特性也顺应绿色发展的时代潮流;此外ZnO QDs制备方法简单,原料成本低廉,有望实现大规模的商品化应用。然而,响应速度慢是阻碍ZnO QDs紫外探测器进一步发展的主要问题。氧化锌量子点表面的氧空位缺陷在器件响应过程可以通过氧气的吸附/解吸附对电子进行俘获/释放,因为部分研究者将响应速度慢归因于氧空位缺陷的相关过程。然而与空气中相比,真空中无氧气参与,器件的响应速度普遍更慢。因此响应速度慢的原因尚不明确。本文针对ZnO QDs紫外探测器中存在的不足和问题,开展了相关的研究工作,并取得了一定成果,具体内容如下:(1)在传统的溶胶-凝胶法的基础上,通过改变熟化时间,实现了对ZnO QDs的氧空位缺陷浓度的调控。随着熟化时间由0 h增加到2 h,ZnO QDs的PL及PLE光谱均发生红移,同时可见发光明显变弱,说明量子点尺寸变大,结晶质量有所提高,氧空位缺陷减少。证明了控制熟化时间可以对ZnO QDs的氧空位缺陷进行有效的调控,为后文的ZnO QDs薄膜及其紫外探测器的制备与研究奠定了材料基础。(2)优选氧空位缺陷浓度大的ZnO QDs,实现了高性能的金属-半导体-金属(MSM)结构ZnO QDs紫外探测器。本文中制备的ZnO QDs紫外探测光暗抑制比高达为104,开关特性稳定。同时该器件响应速度快,上升时间和衰减时间分别为1.00 s和0.19 s。此外,该器件在室温到110℃下具有良好的热稳定性。在同领域中,该器件性能处于领先水平,且具有最快的下降速度。与同领域中的器件进行对比,我们认为器件优异的响应速度可能来自于大量的表面氧空位缺陷。(3)为了澄清表面氧空位在器件快速响应过程的重要作用,利用H2O2溶液后处理,实现了对ZnO QDs及其器件中的氧空位缺陷的进一步调控。通过PL,PLE和XPS等手段证明了H2O2溶液处理可以有效填补ZnO QDs中的氧空位缺陷。此外,H2O2溶液处理后,器件的暗电流下降,光电流增加,响应度提升了8倍。研究发现,随着氧气浓度的增加,H2O2溶液处理后的器件响应速度有了明显提升,而处理前的器件提升较小。同时,随着温度上升,H2O2溶液处理后的器件的衰减速度明显加快,对处理前的器件的衰减速度基本没有影响。H2O2溶液处理后,表面氧空位缺陷的大量减少,使ZnO QDs对氧气的吸附能力变弱,因此氧空位缺陷较少时提高氧气浓度或提高温度都可以明显改善吸附速度。这些现象进一步澄清了氧空位缺陷在ZnO QDs紫外探测器快速响应过程中的重要作用。本文的工作为高性能纳米结构紫外探测器的实现提供了一种新的思路。
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