ZnO/PFO及ZnO/NPB无机/有机半导体纳米异质结的制备及特性研究

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近年来,许多科研人员尝试使用新型有机半导体材料与传统无机半导体材料结合,制造无机/有机半导体器件,将此类器件应用于新型激光器、LED、光伏电池及光电探测器等技术。因氧化锌半导体材料具有价格低、易制备、无毒性、载流子传输效率高等特点,许多研究组使用N型氧化锌半导体纳米线与P型有机物相互叠加的方式,制造新型异质结器件。通过调整N-氧化锌/P-有机物异质结器件中氧化锌纳米材料的微观形貌、改变有机材料的类型及包覆层厚度、掺杂修饰等手段,可找到制作N-氧化锌/P-有机物器件的最佳方法,改善N-氧化锌/P-有机半导体异质结器件的光电特性。但因目前制备N-氧化锌/P-有机物器件的工作还处在初始研究阶段,生产工艺离大规模应用还有不小差距,虽然世界范围内许多研究组已经开展了此项工作的研究,但对该类器件的制备工艺、影响器件光电特性的主要因素仍存在不少模糊认识,因此,本论文针对这几项问题,以N型氧化锌半导体纳米线为基材,利用PFO与NPB两种有机P型半导体材料,开展了相关的研究工作,包括ZnO/PFO及ZnO/NPB无机/有机纳米半导体异质结器件的制备和器件电学特性方面的分析。在本研究工作中,我们创新性的利用锌片上生长的取向氧化锌半导体纳米线作为基材,在其上涂覆一层有机半导体包覆层或涂层,用金属锌代替ITO作为阴极,再溅射一层铝作阳极,简化了以往使用ITO玻璃作为电极的制备方法。研究发现,制备的ZnO/PFO及ZnO/NPB无机/有机纳米半导体异质结光电器件的光探测波长范围在可见光范围内,器件可见光探测性表现明显,且器件具有光电响应灵敏度高,开启电压小,制备成本低等特点,研究结果对未来开发新型无机/有机光电探测器件有一定指导作用。主要研究内容如下:(1)利用水热法,在锌片上生长N型氧化锌半导体纳米线阵列,表征分析其生长形貌,同时研究水热法制备氧化锌纳米线的成核过程及生长机制。发现氨水溶液体积比、生长时间、生长压力以及退火等实验参数对氧化锌纳米线晶体结构、光电特性均有影响,论文在实验数据的基础上对水热法制备氧化锌纳米线的生长机制进行了详细的理论分析。(2)以水热法生长的N型氧化锌半导体纳米线阵列为基材,使用旋涂法在氧化锌纳米线上分别涂覆PFO及NPB半导体包覆层,制作出了N-ZnO/P-PFO、N-ZnO/P-NPB两种无机/有机半导体纳米线异质结器件,研究了不同形貌、不同光学性能的氧化锌纳米线对器件的影响,还分析了两种不同有机材料、不同有机材料膜层厚度情况下制备器件的IV及光电特性,分析了影响器件光电性能的因素。(3)利用磁控溅射法,先在ITO玻璃上沉积生长一层100nm厚度的氧化锌薄膜,后再利用甩胶机在膜层上均匀涂覆一层有机半导体膜层材料,制备了N-氧化锌/P-有机物结构的薄膜层状半导体异质结器件。研究了氧化锌纳米线阵列厚度、有机膜层材料类型、机膜层厚度对无机/有机异质结膜层器件IV及光电特性的影响。并将测试结果与阵列型异质结器件的IV及光电特性进行比较,发现阵列型器件的光电特性比薄膜型器件好,且阵列型器件具有较高的光电响应灵敏度,非常适宜应用于光电探测及光电传感等器件中,而薄膜型器件的异质结整流特性要好于阵列型器件,因此薄膜型器件适宜应用于整流器件中。
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