ZnO/Cu_2O纳米异质结阵列的制备及特性研究

【摘要】：一般条件下， ZnO半导体材料主要表现为n型导电特性，制约了ZnO基太阳能电池及光电器件应用开发，本论文利用具有较好的p型导电稳定性的Cu_2O半导体材料与ZnO半导体结合，开展了ZnO/Cu_2O纳米异质结阵列的制备及特性研究工作： （1）利用水热合成法，制备了一维ZnO纳米线阵列。通过XRD、FESEM、PL等测试手段对ZnO的形貌、结构、光致发光特性进行分析。结果表明，制备的ZnO纳米线阵列具有六方纤锌矿结构，（002）晶面衍射峰最强，纳米线粗细均匀、表面光滑，其直径和长度的大小与溶液浓度和反应时间有关。纳米线阵列在379nm附近有一个很强的紫外发射峰，与其禁带边自由激子复合的理论值相比，出现了1nm左右的篮移。597nm附近还存在一个峰值较弱的红光发射带，该峰是晶格内的氧空缺和间隙位置的锌离子缺陷能级跃迁造成。实验分析结果可得，制备高取向、长度、直径（250nm）适中的取向ZnO纳米线阵列的最佳实验参数是：常压下，NH3·H2O：H2O（溶液体积比）约为1：5(V/V)，反应时间为10h，反应温度为95℃。 （2）采用电化学沉积和热浸镀两种方法在制备的一维ZnO纳米线阵列衬底上制备了ZnO/Cu_2O异质结阵列。通过XRD、XPS、FESEM、TEM及PL测试分析方法对样品的特性进行了表征分析。结果表明，沉积的Cu的氧化物成分是Cu_2O，在（111）晶面择优生长。两种方法中的Cu_2O生长结构都是以结晶颗粒形式包覆在ZnO纳米线表面，沉积后，ZnO纳米线表面较粗糙，直径明显增加。研究发现，沉积时间和沉积溶液的浓度都对异质结的表面形貌和微结构有影响，沉积时间及溶液浓度过大，不利于Cu_2O沉积颗粒的晶化。ZnO/Cu_2O异质结复合阵列的PL光谱在381.7nm处有一个较强的紫外发射峰，此外，在523.4nm附近还有一个比紫外发射峰更强的绿光发光带，相对于纯ZnO阵列的发光峰，ZnO/Cu_2O异质结阵列的紫外发光峰出现了约2.7nm的红移。分析认为，复合阵列的紫外发射峰由ZnO禁带边缘的激子复合发光产生，较宽的523.4nm的绿光峰由沉积于ZnO纳米线表面的Cu_2O生长核引起的结构缺陷数量增加导致。对比发现，用浸镀法制备ZnO/Cu_2O异质结时，沉积时间越短，溶液浓度较低时制备的ZnO/Cu_2O异质结比较好；电镀法制备ZnO/Cu_2O异质结时，沉积电压为0.6V时制备的ZnO/Cu_2O异质结比较好。 （3）对样品的I-V特性分析发现，异质结表现出了较好的肖特基接触特性。本论文对不同样品在明暗条件的光响应特性进行了测试分析。结果表明，沉积电压为0.6V，沉积时间为20s的条件下，ZnO/Cu_2O纳米线pn结复合阵列表现出较高的光响应灵敏度。