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《辽宁师范大学》 2015年
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ZnO/Cu_2O纳米核壳异质结阵列的制备及光电特性研究

王楠  
【摘要】:近些年来,众多学者对ZnO半导体材料的应用问题进行了大量深入研究。但一般情况下制备出的ZnO半导体都呈现为n型导电特征,这是由于ZnO的晶体缺陷及自补偿效应造成的。虽然一些研究者开展了不少有关ZnO的p型掺杂改性的探索,但直到目前,p型ZnO的制备一直没有达到实用化要求。ZnO半导体本身无毒无害,易于制备,导电特性较好,在太阳能电池及其它光电器件领域是一种很好的n型半导体材料,因此,为利用n型ZnO半导体材料制备各种新型器件,并探索将其应用于光电领域,近年来,世界范围内许多研究者都在寻找能与n型ZnO半导体材料晶格匹配度较好,且能应用于光电器件和各种微纳电子器件的p型半导体材料。只有找到这种材料及电子学特性满足要求的p型半导体材料,才能利用各种制备工艺将其与ZnO半导体材料组合,构建出性能稳定的p-n半导体异质结,这也是ZnO半导体材料应用中的一个关键问题。近年来,科学家通过对比研究发现,Cu_2O是一种较稳定的p型半导体材料,也具有无毒无害,易于制备等特点,非常适合和与n型ZnO组合形成半导体异质结。本论文利用水热合成的n型ZnO半导体纳米线阵列为基础,利用电化学沉积工艺,在n型ZnO半导体纳米线阵列上沉积一层p型Cu_2O半导体壳层,成功制备出了ZnO/Cu_2O异质结,并利用各种分析仪器讨论了合成条件及参数对ZnO/Cu_2O异质结光电特性的影响,探究结果对利用ZnO半导体研究新型太阳能电池及光电器件都有一定的应用价值。论文主要工作如下:(1)首先,在FTO聚合物柔性基底上,采用射频磁控溅射技术沉积一层约20nm厚度的ZnO种晶层。随后,以溅射生长ZnO种晶层的FTO为衬底,在摩尔比为1:1,摩尔浓度为25mM的Zn(CH3COO)2·2H2O:C6H12N溶液中进行取向ZnO纳米线阵列的水热合成,实验温度为95°C。SEM、XRD及PL特性测试分析表明,利用水热合成法,可在预制ZnO种晶层的FTO柔性衬底上生长出取向一致、结构稳定的六角状ZnO纳米线阵列。论文认真分析研究了制备的ZnO纳米线阵列生长特性与生长温度、种晶层厚度、水溶液摩尔浓度及生长时间之间的关系,并对关键因素进行了分析讨论。(2)利用电化学工作站,采用三电极沉积方法,以摩尔浓度为3M的乳酸和0.4 M的硫酸铜为沉积液,在pH=11,温度25°C,改变沉积电压和沉积时间等变量,在前期生长的形貌最优的ZnO纳米线样品上,电化学沉积了一层p型Cu_2O纳米核壳,制备出了结构包覆特性较好的ZnO/Cu_2O异质结。论文利用场发射扫描电镜,X射线衍射仪等分析设备对制备的异质结阵列的微结构、生长形貌及光致发光特性进行了分析表征;(3)利用一个80W/cm2的氙灯作太阳光模拟光源,利用制备的ZnO/Cu_2O异质结,通过沉积上下电极制备出了简单的光电转换原型器件,使用吉时利4200-scs型半导体特性分析系统对制备的ZnO/Cu_2O异质结器件的光电特性进行了分析测试。讨论了生长结构、壳层厚度、沉积电压、沉积时间等因素对ZnO/Cu_2O纳米核鞘异质结阵列光电器件光电特性的影响,找到了ZnO/Cu_2O异质结器件的最佳制备工艺参数。通过对IV特性和光响应特性的实验,发现适当的沉积时间(30min)和较小的沉积电压(0.4V)有利于ZnO/Cu_2O异质结光电转换特性的提高。
【学位授予单位】:辽宁师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.1;TN304

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