本文關(guān)鍵詞：氧化鋅納米陣列紫外探測(cè)增強(qiáng)效應(yīng)研究　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：基于低維納米材料的光電探測(cè)尤其是紫外探測(cè)領(lǐng)域,具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn),是納米光電子材料與器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一維氧化鋅(ZnO)納米線陣列能夠兼顧響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間,同時(shí)可以結(jié)合納米材料的屬性和薄膜器件加工工藝,展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是,納米線的晶體質(zhì)量和合理的器件設(shè)計(jì),仍是決定ZnO納米紫外探測(cè)的關(guān)鍵因素。因此,本論文著眼于高性能ZnO納米線陣列紫外光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)、制備和表征,研究工作主要圍繞著兩個(gè)方面展開(kāi)：ZnO納米陣列的可控制備,探索不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)ZnO納米陣列生長(zhǎng)的影響,以及ZnO納米陣列的尺寸調(diào)控規(guī)律；制備單根ZnO納米線紫外探測(cè)器件,采用Ag貴金屬修飾方法研究等離子體共振效應(yīng)對(duì)其紫外光電探測(cè)性能的增強(qiáng)效應(yīng),并進(jìn)一步推廣到ZnO納米線陣列器件上,實(shí)現(xiàn)了Ag納米顆粒修飾增強(qiáng)型ZnO納米陣列紫外探測(cè),探討局域表面等離子體效應(yīng)對(duì)ZnO紫外響應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理。本文主要開(kāi)展了以下方面的研究：1.分別采用溶液法和化學(xué)氣相沉積法,在氮化鎵(GaN)基底上實(shí)現(xiàn)了ZnO納米陣列的可控制備,并確定了優(yōu)化工藝條件。首先采用溶液法制備ZnO納米陣列,詳細(xì)探討了反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、種子層以及GaN晶體結(jié)構(gòu)對(duì)ZnO納米陣列的影響：為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)ZnO納米陣列的可控制備與形貌優(yōu)化,采用化學(xué)氣相沉積法,分別探索了Au催化劑的厚度、反應(yīng)物的總量和反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)的真空壓力這三個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)產(chǎn)物形貌的影響。此外,通過(guò)化學(xué)氣相沉積法,并根據(jù)VLS和VS生長(zhǎng)機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了ZnO納米片和納米帶的合成。2.采用XRD、SEM、TEM、PL光譜和拉曼散射等測(cè)試手段,分析了化學(xué)氣相沉積法所制備的ZnO納米陣列,結(jié)果顯示所制備的ZnO納米陣列具有較高的結(jié)晶質(zhì)量,較大的比表面積,在空氣中晶體表面具有氧氣離子吸附�；诖竺娣e垂直生長(zhǎng)的ZnO納米陣列,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的紫外光電探測(cè)器,分別測(cè)試了其紫外光響應(yīng)性能。分析發(fā)現(xiàn),表面氧離子對(duì)ZnO納米陣列的性能具有重要影響。相對(duì)于PMMA包覆的器件A,有氧離子參與的器件B響應(yīng)度提升161%,開(kāi)關(guān)比提高29倍,響應(yīng)時(shí)間從3.8 s降低至0.32s,恢復(fù)時(shí)間更是從33.72s降低至3.02s,各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到大幅提高。3.利用化學(xué)氣相沉積法,制備了超長(zhǎng)的ZnO納米線,并基于此構(gòu)筑了單根ZnO納米線的紫外光電探測(cè)器,對(duì)比研究Ag納米顆粒修飾后ZnO納米線紫外探測(cè)性能的變化規(guī)律,提出Ag納米顆粒的局域表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)ZnO紫外光電探測(cè)性能機(jī)理模型。進(jìn)一步構(gòu)筑了Ag納米顆粒局域表面等離子體效應(yīng)增強(qiáng)型ZnO納米陣列紫外探測(cè)器,器件的響應(yīng)度從81.25 A/W提升至176.5 A/W,響應(yīng)時(shí)間從320 ms降低至80ms(偏壓5 V)。研究表明,器件性能的提升,主要來(lái)源于Ag納米顆粒修飾后的金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和局域表面等離子體共振效應(yīng)。此外,該類(lèi)型器件可在1V偏壓的非飽和狀態(tài)快速響應(yīng),器件的響應(yīng)時(shí)間縮短至1.13 ms,恢復(fù)時(shí)間為1.57 ms,響應(yīng)度為48mA/W。以上的研究結(jié)果顯示了局域表面等離子體共振效應(yīng),可以大幅提高ZnO紫外探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo),具有重要的應(yīng)用前景。
[Abstract]:Based on photoelectric detection of low dimensional nanomaterials especially UV detection field, has the advantages of high performance, low cost, low power consumption, is a hot research field of nano optoelectronic materials and devices. The Zinc Oxide 1D (ZnO) nanowire arrays can take into account the responsivity and response time, and can be combined with the properties and processing technology of nano thin film devices materials, show a good application prospect. However, the nanowire crystal quality and reasonable design of the device, is still the key factor determining ZnO nano UV detection. Therefore, this paper focuses on the design of high performance ZnO nanowire array ultraviolet photodetector, preparation and characterization, the main research work around two aspects: controlled preparation of ZnO nanowire arrays, to explore the effects of different experimental conditions on the growth of ZnO nanowire arrays, and arrays of ZnO size regulation; preparation of single ZnO nanowire UV detector. The enhancement effect of noble metal modified by Ag method to study the effect of plasma resonance of the ultraviolet photoelectric detection performance, and further extended to ZnO nanowire array device, realizes the modification of Ag nanoparticles enhanced ZnO nano array ultraviolet detection of surface plasmons response enhancement mechanism of ZnO UV. This paper mainly carried out the following research: 1. respectively by solution method and chemical vapor deposition (GaN) on GaN substrate to realize the controllable preparation of ZnO nanowire arrays, and determine the optimal process conditions. The first synthesis of ZnO nano array by using the solution method, discusses the concentration of the reactants. The reaction temperature, reaction time, effect of seed layer and the GaN crystal structure of ZnO nano arrays: in order to realize the control of ZnO nanowire arrays prepared with topography optimization, using chemical vapor deposition Product method, respectively to explore the Au thickness of the catalyst, effect of vacuum pressure system and the total reaction of the reactants in the three experimental factors on the morphology of the product. In addition, through chemical vapor deposition method, and according to the competition between VLS and VS growth mechanism, the synthesis of.2. nano ZnO and nano belt using XRD, SEM, TEM, PL spectra and Raman scattering measurements were analyzed by chemical vapor deposition method for preparing ZnO nano arrays, results showed that the crystalline quality of the ZnO nano array prepared with higher, larger surface area, crystal surface in the air with oxygen ion adsorption of ZnO. Large area nano array based on vertical growth, we designed two kinds of ultraviolet detector structure, the UV response performance were tested. Analysis shows that the performance of surface oxygen ions on ZnO nanowire arrays has an important influence. Compared with PMMA The coating device A, oxygen ions in the B device in response to enhance the degree of 161%, 29 times higher than the switch, the response time is reduced from 3.8 s to 0.32s, the recovery time is reduced from 33.72s to 3.02s, the performance indicators have been greatly improved.3. by chemical vapor deposition method, ultralong ZnO nanowires were prepared based on this system, and build the UV photodetectors of single ZnO nanowire, variation of comparative study of Ag nanoparticles modified ZnO nanowires UV detection performance, the localized surface plasmon resonance of Ag nanoparticles enhanced model ZnO UV detection performance mechanism. Further build Ag nanoparticles surface plasmons the enhanced ZnO nano array UV detector, the responsivity of the device was improved from 81.25 A/W to 176.5 A/W, the response time decreased from 320 ms to 80ms (voltage 5 V). The results show that the device performance, mainly to From the Ag nanoparticles modified metal semiconductor heterojunction and localized surface plasmon resonance effect. In addition, this type of device is available in the 1V bias of the unsaturated state of rapid response, the response time of the device is reduced to 1.13 MS, the recovery time is 1.57 MS, the response degree of 48mA/W. to the research results show that the local surface plasma resonance effect, can significantly improve the response of ZnO UV detector and response time and other key parameters, has important application prospect.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN23

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本文編號(hào)：1431961