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氧化物半导体纳米结构的制备及其光电性能研究

王书杰  
【摘要】: 氧化物半导体纳米材料向我们展现出了很好的应用前景,更深入的工作涉及到纳米材料的应用和纳米器件的构筑上。目前研究的重点集中在单个原型器件的制备及性能测试方面。基于此本论文的工作重点将集中在氧化物半导体纳米结构物性测试上和纳米器件的构筑及其光电性能评价方面。 对于复合体系的氧化物半导体纳米薄膜来说,深入的了解复合薄膜的优异的物性的原因是目前需要解决的问题,本论文中我们选择了具有能级匹配关系WO3/TiO2复合薄膜进行研究。深入的了解复合薄膜在表界面处的光电分离和传输的情况,为构筑薄膜类的光电子器件提供试验上的支持和理论上的依据。随着以后纳米材料的器件化和应用化考虑,准一维的纳米结构将在纳米器件的构筑和应用中起到很大的作用。在基于一维纳米材料构筑器件的过程中,金属电极与纳米线的接触以及纳米线本身的输运特性仍然存在很多问题。特别是对于氧化物半导体纳米材料来说,其表面有大量的悬空键和氧空位可以形成表面态来影响器件的性能。另外利用光照可以激发半导体氧化物产生电子空穴对,从而调控一维纳米材料电荷传输性质,同时光照也可以消除氧化物半导体的表面态,从而影响器件的输运特性。 在第一章中,我们对氧化物半导体纳米材料的研究现状和纳米结构物性的测量方法进行了综述。指出了目前氧化物纳米结构研究所存在的问题,提出了本论文的研究目标和主要研究内容。 在第二章中,我们通过溶胶—凝胶法成功制备了复合结构的WO3/TiO2纳米薄膜,利用原子力显微镜更直接能表征电荷转移的这一性能的模式KFM,对复合结构的薄膜在微区的光电荷转移过程进行了研究。结果发现,由于三氧化钨和二氧化钛二者之间的能级匹配关系,通过有效的复合二者之间确实发生了光电荷转移,使我们能够更清楚的认识到复合结构的薄膜在光激发的情况下所具有的光开关的效应的内在原因。多层复合结构WO3-TiO2纳米薄膜在光照下也有光电荷的转移和传输,而且多层复合结构的WO3-TiO2在光照下正负两个方向上均有光开关的效应。复合多层膜的光开关效应更进一步表明光电荷在三氧化钨和二氧化钛表界面之间的转移和传输。对复合纳米薄膜的研究为发展新型的薄膜纳米光电子器件做了很好的前期的理论工作。 在第三章中,用热蒸发法制备了单晶六方晶相的WO3纳米线,用交流电场辅助的方法组装纳米线,实现了单根WO3纳米线的组装。在紫外光和暗态的情况下对单根WO3纳米线器件进行光电输运性质的研究。发现在暗态下Ⅰ-Ⅴ曲线显示了非线性的整流的特性。这主要是因为在电场组装三氧化钨纳米线的过程中形成两个背靠背的不对称的肖特基势垒。在加紫外光时,电流值有很大的提高,而且其整流性能降低,这是因为由于所形成的两个内建电场在偏压下的不对称变化所引起的表面带弯从而导致了两个肖特基势垒的不对称变化。 在第四章中,利用气相沉积法制备二氧化锡纳米带。用原子力显微镜的电学测量模式对纳米带的纵向电学特性进行分析,发现金属探针与纳米带形成了肖特基接触。利用电场组装的方法在金电极上构筑基于二氧化锡纳米带的纳米器件。通过Ⅰ-Ⅴ曲线分析器件的横向输运特性。同时利用光照来调控肖特基势垒的高度,从而调控二氧化锡纳米带的输运特性,通过光照后不同时间段的Ⅰ-Ⅴ曲线测试分析,发现在光照2分钟的时候光电流可以达到最大值,而去光后,电流的恢复时间较长。在对基于二氧化锡纳米器件的输运特性的研究中我们发现其在电压扫描情况下具有存贮和电学开关效应。此现象在以二氧化锡纳米带构筑的纳米器件中还尚未报道,初步分析造成这种电阻开关效应的原因是因为纳米带与电极之间的肖特基接触,而偏压能造成氧的脱附从而改变了肖特基的势垒高度,从而起到了开关的作用。二氧化锡纳米带表现出了一系列的优异特性,为此我们用扫描探针显微镜的电流像模式对纳米器件进行电流像分析,深刻理解电流在器件工作状态时的分布情况。研究结果表明在金属电极与纳米带接触的地方电流会出现耗尽的情况。而在纳米带悬空的区域,电流在纳米带上呈现出条纹状的分布。 第五章中,我们通过简单浸泡的方法对SnO2纳米带进行修饰。结果显示通过简单的浸泡的方法合成了复合结构的Ag/SnO2纳米带。用表面光电压的方法对复合结构的纳米带的光电特性进行分析,结果表明由于Ag纳米粒子的存在使得复合后的SPV响应减小。利用导电原子力显微镜的电流成像模式对复合结构的Ag/SnO2纳米带的电流像进行分析,微区的电流分布图使得我们清楚的看到Ag纳米粒子和纳米带复合处的电流的分布情况。通过用电场辅助组装的方法把纳米带组装到金属Pt电极上,研究结果表明负载了Ag纳米粒子后纳米带的电流减小分析认为电流减小的原因是由于局域的肖特基结在Ag粒子附近的SnO2纳米带表面形成耗尽层,减小了纳米带的有效传导通道。同时我们利用气相沉积的方法制备了复合结构的ZnO/SnO2纳米结构,并对复合结构的形貌进行了分析。 第六章中,对氧化物半导体纳米材料的光电特性研究进行了总结,对下一步纳米原型器件的构筑,纳米器件工作的原理和集成纳米器件的技术进行了展望。


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