基于SnO2纳米材料紫外探测器的制备与性能研究

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紫外光的探测在辐射监测,生化分析,天文学和导弹发射等领域中具有重要的作用,人们对高性能紫外探测器的需求不断增长。在各种紫外探测器中,光电倍增管体积较大且需要高功率电源;热探测器探测慢且响应与波长无关。半导体探测器的体积小、重量轻、制造成本低,并且能利用半导体的光电效应实现对紫外光的快速响应和微小信号探测,具有广阔的发展前景。在适合作为探测器光阳极的众多半导体中,SnO2和ZnO均具有宽带隙(分别为3.6eV和3.3eV)和高电子迁移率特点,并且二者结合后能够形成Ⅱ型能带结构,有利于光生电子-空穴的分离。因此本文将主要研究SnO2和ZnO-SnO2异质结构的制备及其在紫外探测器上的应用。首先,在ITO衬底上通过磁控溅射法和液相沉积法制备了SnO2纳米颗粒,并通过扫描电子显微镜、EDS能谱仪和X-射线衍射仪对其进行形貌、化学元素和晶体结构分析。实验结果表明,制备的样品中含有Sn和O元素,其形貌为特殊的八面体纳米颗粒结构,X-射线衍射仪图像的衍射峰能对应于SnO2四方晶型。此外,对SnO2八面体结构的形成机理进行了研究。其次,通过水热法在SnO2八面体纳米颗粒表面生长ZnO纳米阵列,构建了ZnO-SnO2异质结复合材料,并用扫描电子显微镜、EDS能谱仪、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和X射线光电子能谱仪对其进行表征。研究发现,ZnO-SnO2异质结构为SnO2八面体块和ZnO纳米棒组成的刺猬状结构,并且Sn和Zn元素分别分布在两种结构中。然后通过观察ZnO-SnO2刺猬状结构的演变过程,对其形成机理进行了分析。最后,以合成的SnO2八面体纳米颗粒和ZnO-SnO2刺猬状异质结构为紫外光探测材料制备了紫外探测器,并在365nm的模拟紫外光源下测试了器件对紫外光的探测性能。结果表明,两种器件均能对紫外光产生响应并具有可见光盲特性。此外,制备的紫外探测器能够在零偏压下工作,表明其具有自供能特性。多次测试表明,制备的紫外探测器在紫外光照射下其光响应电流均能达到同一稳定峰值,显示出良好的循环稳定性。相比于SnO2紫外探测器,ZnO-SnO2刺猬状异质结紫外探测器具有更高的光响应电流。探测机理研究表明,刺猬状ZnO-SnO2异质结构复杂的表面形态和Ⅱ型能带结构是其性能提升的主要原因。
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