基于ZnO纳米棒阵列自驱动紫外探测器制备与性能

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紫外探测技术在空间通讯、污染监测以及生物医学领域都有着广泛应用,已经成为一项新型军民两用技术。与传统商业使用得光电倍增管和硅基紫外探测器比较,基于第三代宽禁带半导体材料的紫外探测器不需要使用复杂昂贵的滤光片,并且工作时不需要冷却即可实现对紫外线的探测,因此近年来受到了广泛关注。在众多宽禁带半导体材料中,一维氧化锌(ZnO)纳米材料具有诸多优势如物理化学性质稳定、耐辐射、比表面积大、载流子迁移率高、制备方法简单以及环境友好等,被认为是理想的紫外探测材料之一。传统紫外探测器需要外加电源才能工作,一般由电池提供,但是电池的加入会增加器件体积,并且大量电池使用会污染环境、浪费能源,因此能够应用于恶劣环境中的自驱动探测器的研制引起了学者的关注。尽管纳米ZnO基紫外探测器研究取得一些进展,但还面临许多难题:器件结构过于复杂、制备工艺繁琐;器件大多需要外加电压才能工作耗费能源;器件的性能不稳定,特别是在弯曲条件下很难获得高响应度和快响应速度。为了获得性能优良、稳定的自驱动紫外探测器,本文用简单易行的水热法制备了 ZnO纳米棒,用电解液或者空穴传输层与其组装制备了自驱动准固态柔性和全固态柔性稳定性优异的紫外探测器;并通过增加ZnO纳米棒与准固态电解液或者空穴传输层的界面接触来提高载流子浓度和输运,获得优良的紫外探测性能。具体研究内容如下:1、用简单的水热法在玻璃衬底上制备了垂直生长的ZnO纳米棒并用无碘准固态电解液组装获得光电化学电池(PECC)型自驱动的紫外探测器。本文详细研究了电解液中KI和PEO含量对紫外探测器性能的影响,分析了器件工作原理。研究发现,器件光电流随着KI和PEO含量的增加都是先增加后减小,其原因是电解液之间会发生络合反应。当KI和PEO分别为0.03 g和0.2 g时,电解液间的络合反应完全,电解液处于无定形态,此时ZnO纳米棒和电解液具有最大接触面,增加了电子通道、增强电子输运,光电流达1.4×10-4A,响应度为2.33 A/W,响应速度快上升时间和下降时间分别为0.09 s和0.31 s。2、用水热法在PET柔性衬底上制备了 ZnO纳米棒,并且用准固态电解液组装获得了柔性、稳定、廉价的PECC型自驱动紫外探测器,器件具有高探测性能,上升时间和下降时间分别为0.03s和0.13 s,响应度为50.5 mA/W。探究了器件在不同弯曲条件下的时间响应曲线。研究发现,器件的响应度随着向上弯曲角度的增加而减小,随着向下弯曲角度的增加而增加,当向下弯曲角度达到60°时,器件的响应度较没有弯曲时增加了 63%。其原因是在弯曲状态下ZnO内部会产生压电效应。3、用水热法在PET柔性衬底上制备了 ZnO纳米棒,并且用新型空穴传输有机物R01组装获得了异质结紫外探测器,器件在0V下具有快速响应,上升时间和下降时间分别为0.05和0.12 s。由于ZnO纳米棒和R01有效接触,器件的响应度为90.9 mA/W。器件具有可弯曲性,在自然状态、弯曲状态和应力撤去后器件都具有良好的紫外探测性能,并且表现出性能稳定。另外,器件具有一定的热稳定性,器件在80℃的测试温度下仍具有良好的紫外探测性能。
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