氧化鋅基復(fù)合材料的制備及其光敏特性研究

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1、分類號(hào):TB33210710-2015231031專業(yè)碩士學(xué)位論文氧化鋅基復(fù)合材料的制備及其光敏特性研究楊甜甜導(dǎo)師姓名職稱段理教授專業(yè)學(xué)位類別申請(qǐng)學(xué)位類別碩士材料工程及領(lǐng)域名稱論文提交日期2018年5月2日論文答辯日期2018年6月6日學(xué)位授予單位長安大學(xué)PreparationandthestudyofphotosensitivepropertiesbasedonZnOcompositesAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YangTiantianSupervisor：Prof.DuanLiChan

2、g’anUniversity,Xi’an,China摘要氧化鋅（ZnO），Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶（3.37eV）半導(dǎo)體材料，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（晶格常數(shù)a，c分別為0．3249nm，0．5206nm），激子束縛能60meV，比GaN和ZnSe的激子束縛能都高的多。在室溫下，ZnO材料的光電器件也能實(shí)現(xiàn)高效的激子復(fù)合發(fā)光，因此，ZnO被認(rèn)為是藍(lán)-紫外區(qū)域中很有前途的光子材料；ZnO原材料來源渠道多，價(jià)格適宜，沒有毒沒有污染，ZnO比其他寬禁帶材料的抗輻射能力都好得多；它生長溫度很低，不經(jīng)過高溫相應(yīng)的缺陷也就少很多；此外，ZnO有量子約束特性，它會(huì)展現(xiàn)出比體材料更優(yōu)越的

3、光電特性。在短波長光電器件領(lǐng)域，人們都將ZnO材料看做是第三代半導(dǎo)體材料，其發(fā)展?jié)摿ι踔帘徽J(rèn)為超過了GaN。石墨烯被學(xué)術(shù)界視為新一代的半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)很獨(dú)特。與其它碳材料相比，石墨烯比表面積很大，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，致使它擁有很好的力、熱、電、磁學(xué)性能。它在光電器件、復(fù)合材料、傳感器以及存儲(chǔ)器這些地方具有很高的研究價(jià)值。在光電領(lǐng)域，石墨烯室溫下電子遷移率達(dá)到2×105cm2/(Vs)，比碳納米管或硅晶體高，甚至超過了大部分金屬。石墨烯是一種極其有前景的透明導(dǎo)電半導(dǎo)體材料，吸光率僅2%，因而它可作為光探測器、太陽能電池的透明電極。PVK，中文名N-乙烯基咔唑

4、，分子式C14H11N，分子量193.25。PVK是有利于空穴傳輸?shù)挠袡C(jī)半導(dǎo)體聚合物，其空穴傳輸性能在眾多有機(jī)聚合物中最為優(yōu)良。PVK的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占用的分子軌道（LUMO）能量分別為-5.8eV和-2.3eV。PVK電性能良好，其光電導(dǎo)性能使得其可充當(dāng)全息照相的感光材料。PVK具有強(qiáng)烈的藍(lán)色發(fā)射激發(fā)態(tài)單峰，峰值約為420nm。PVK已被廣泛用作電子和光學(xué)材料。本論文主要包含兩大模塊來進(jìn)行，第一模塊是ZnO-rGO（氧化鋅-還原氧化石墨烯）紫外光電探測器和ZnO紫外光電探測器構(gòu)造的內(nèi)容，第二模塊是ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)光電探測器原型

5、構(gòu)造的內(nèi)容。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：第一模塊主要構(gòu)造了ZnO-rGO紫外光電探測器和ZnO紫外光電探測器。難點(diǎn)在于：一是查閱大量的文獻(xiàn)，并與實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前情況相結(jié)合，從而確定實(shí)驗(yàn)方案；二是ZnO-rGO復(fù)合材料的制備過程；三是ZnO-rGO紫外光電探測器和ZnO紫外光電探測器兩種原型器件如何構(gòu)造的問題。這一模塊成功制備出來了ZnO-rGO復(fù)合材料并構(gòu)造ZnO-rGO紫外光電探測器和ZnO紫外光電探測器。通過IV表征，發(fā)現(xiàn)ZnO-rGO光電探測器的光電流和光暗電流比遠(yuǎn)大于ZnO光電探測器的光電流和光暗電流比。然后使用XRD，拉I曼，PL光譜，透射光譜和光電流測

6、試來詳細(xì)研究了這種機(jī)制，結(jié)果表明ZnO-rGO紫外光電探測器更大的光電流源于載流子壽命較長和載流子重組系數(shù)較小。這一模塊的研究為制備構(gòu)造高速光響應(yīng)UV光電探測器提供了一種潛在的方法。第二模塊主要將n型ZnO半導(dǎo)體材料與有利于空穴傳輸?shù)挠袡C(jī)半導(dǎo)體聚合物PVK進(jìn)行結(jié)合，想要構(gòu)造出ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)光電探測器原型來。而ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)光電探測器原型的構(gòu)造就是要突破兩個(gè)難點(diǎn)：一是制備出來導(dǎo)電性很好的一維ZnO納米棒陣列；二是成功構(gòu)造出ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并可以測試出良好的整流曲線。這一模塊工作主要分為ZnO-PVK復(fù)合材料的制備和ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)

7、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與表征兩個(gè)方面來開展。這一模塊的難點(diǎn)在于ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)要成功構(gòu)造并可以測出很好的整流曲線來。這個(gè)課題一直都是在嘗試著開展，通過IV曲線可以發(fā)現(xiàn)：ZnO-PVK異質(zhì)結(jié)光電探測器的光照電流均大于黑暗電流，這說明異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一定的探測效果。但是始終沒有得到過整流曲線，這是因?yàn)闃?gòu)造的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)雖然有了一定的探測效果，但是還沒形成有效勢(shì)壘的緣故。對(duì)比復(fù)合薄膜材料和純ZnO薄膜材料的吸收曲線可以發(fā)現(xiàn)，ZnO-PVK復(fù)合薄膜材料對(duì)紫外光的吸收強(qiáng)度更大。與ZnO薄膜相比，ZnO-PVK復(fù)合材料的PL譜的強(qiáng)度明顯有了降低。這說明ZnO與PVK之間存在著

8、有效的電荷轉(zhuǎn)移?？傊?，本論文成功構(gòu)造出來了ZnO-rGO紫外光電探測器和ZnO紫