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三元ZnS_xSe_(1-x)纳米线的可控制备及光电性能研究

常远  
【摘要】:一维无机纳米结构:如纳米线(NWs),纳米带(NBs)和纳米棒(NRs),无论是在基础科学研究领域还是在潜在的应用领域都显示了其重要性,所以在过去的十几年里一直是人们研究的热点。II-VI族一维纳米结构半导体材料的带隙涵盖了从1.5 eV(CdTe)到3.7 eV(ZnS),为设计和制备在不同波长下工作的光电器件提供较大的选择空间。在这些II-VI族纳米材料中,ZnSe和ZnS因较宽的直接带隙和双极掺杂的特性而成为研究的热点,被认为在光电应用领域具有前景的光电材料,然而它们固定的带隙限制了其在光电领域应用的灵活性和可能性,因此,发展可控合成具有带隙可调的ZnS_xSe_(1-x)一维纳米结构的方法,并探索其在光电探测领域的应用具有重要意义。本文以ZnSe和ZnS粉末为反应源,利用化学气相沉积法制备出带隙可调的ZnS_xSe_(1-x)纳米线,通过改变反应源的质量比来实现三元ZnS_xSe_(1-x)一维纳米结构带隙的调控,通过调节生长过程中的温度和压强实现对ZnS_xSe_(1-x)一维纳米结构形貌的调控,并探索了其在光电探测器上的应用,主要成果如下:一、利用化学气相沉积法制备出了高结晶质量,形貌均匀的三元ZnS_xSe_(1-x)一维纳米结构,通过调节反应源的质量比以及生长过程中的温度和气压,实现对其化学组分和形貌的调控,最终制备出组分可控、形貌均匀的纳米线。通过XRD和EDS分析表明三元ZnS_xSe_(1-x)纳米线的组分覆盖从ZnSe(x=0)到ZnS(x=1)的范围;以ZnS0.44Se0.56纳米线为例,通过SEM、XPS、TEM、HRTEM分析结果表明:纳米线粗细均匀、表明平滑、直径约100 nm左右,长度约为几十微米,其结构为六方纤锌矿结构,且样品组分均匀,为制备光电器件提供良好的材料基础。二、对三元ZnS_xSe_(1-x)纳米线进行荧光光谱、紫外-可见吸收谱以及拉曼光谱分析,结果表明所制备的纳米线结晶质量高、缺陷少;ZnS_xSe_(1-x)纳米线的荧光光谱随S元素组分的增加而逐渐蓝移,通过对其带隙与组分x的关系分析表明,ZnSe和ZnS具有良好的融合性,相似地,紫外-可见吸收谱以及拉曼光谱随S元素组分变化逐渐平移,光学特性分析表明通过改变组分元素的比例,纳米线的带隙可在2.7 eV和3.7 eV范围内连续调控。三、利用光刻工艺制备出基于ZnS0.44Se0.56纳米线的光电导型光电探测器,并对其光电性能进行探究,在波长为410 nm,功率为0.3 mW/cm2入射光的照射下探测器的电流开关比约为8.1,响应度和光电导增益分别为1.5×106 AW-1和4.5×106,在入射光频率为300 Hz的条件下,ZnS0.44Se0.56纳米线的光电探测器具有较快的上升时间和下降时间分别为520 us和930 us,表明三元ZnS_xSe_(1-x)纳米线在光电器件领域具有巨大的潜在价值。


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