CdS基纳米线的合成及其电学性质的研究

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一维半导体纳米材料如纳米棒、纳米线和纳米管等因具有独特的物理和化学性能而备受关注,在光敏、气敏、光子集成等各种光电器件中都有广泛的应用。II-VI族半导体材料具有直接跃迁的能带结构,吸收波长范围宽,禁带宽度可调节范围大等优异的物理性能。其中CdS是典型的II-VI族n型半导体光电材料,能够吸收512 nm以下的紫外光和可见光,室温下禁带宽度为2.42 eV,在光催化产氢、有机物降解、太阳能电池和光电器件等方面应用广泛。CdS半导体纳米线可以提供单方向载流子移动,较好的分离光生载流子,同时能减少光反射的能量损失,提高其光电转换效率。近年来人们越来越关注CdS及其异质结的合成及性能研究,尤其是CdS纳米材料及其复合材料在光催化和光电转换方面的应用研究。复合纳米材料因其原组成材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使其综合性能优于原组成材料。目前对CdS基复合纳米材料光电探测方面和材料微区电学性质方面的研究还较少,而微区电学性质的研究对更好的理解和应用CdS及其异质结复合材料具有重要的意义。因此,本文主要探究CdS基的一维纳米线的合成及其光电学性质,包括一维CdS纳米线、CdS/SnO2、CdS/ZnO核壳纳米线的制备,及其电学输运性质和微区电学性质的研究。其中CdS纳米线利用溶剂热法制备,壳层材料利用原子层沉积(ALD)技术制备。利用叉指电极构筑器件,研究CdS相关纳米线的电流-电压(I-V)特性和光响应(I-T)特性;利用原子力显微镜(AFM)的不同模式研究了CdS基纳米线的表面电荷分布、表面电势和纵向电流等微区电学性质。论文主要分为以下三个部分:(1)CdS纳米线的合成及光电性质研究。通过控制溶剂热法的反应条件制备CdS纳米线,形貌和物相分析结果表明获得的产物纯度高,尺寸均匀,且结晶性好。将CdS纳米线分散到叉指电极上构筑光电探测原型器件,利用探针台和半导体测试仪研究了CdS纳米线光电探测器的I-V特性和光响应特性。测试结果显示器件的光电流强度达到10-7 A,在正5 V偏压5.8 mW/cm2紫外光强下器件紫外光检测开关比Ilight/Idark约为105。将CdS纳米线分散到ITO基底上,利用扫描探针的不同测试模式研究其微区电学性质:静电力(EFM)测试结果表明CdS纳米线表面电荷分布均匀,且表面带正电荷;开尔文探针(KPFM)模式,获得了单根CdS纳米线的表面电势图,并由此可以计算得到CdS纳米线的功函为4.25 eV;导电探针(C-AFM)模式,测试结果显示CdS纳米线的载流子沿轴向运输。(2)CdS/SnO2核壳纳米线的制备及其电学性质的研究。利用ALD法在CdS纳米线表面沉积壳层SnO2,制备CdS/SnO2核壳纳米线,并研究其I-V特性和光响应性质。结果表明沉积90个循环SnO2时,光电流达到10-6A,具有较快的光响应和光回复时间,且稳定性好,检测光强范围宽。但是由于暗电流较大,开关比较小,Ilight/Idark约为10。微区电学表征结果表明CdS/SnO2纳米线表面电荷分布均匀,并且光照下纳米线表面电势有明显的变化,载流子沿纳米线轴向输运。(3)CdS/ZnO核壳纳米线的制备及其电学性质的研究。以CdS纳米线为前驱体,利用ALD法沉积壳层ZnO,制备CdS/ZnO核壳纳米线,并研究其紫外光检测性质和微区电学性质。实验结果表明CdS/ZnO纳米线器件的光电流达到10-5A,和纯CdS纳米线器件相比,CdS和ZnO之间的光诱导电荷转移导致紫外光开关比提高两个数量级,达到107。微区电学性质测试结果表明核壳纳米线材料的表面电荷分布均匀,并在光照条件下,CdS/ZnO纳米线表面电势提高100 mV。
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