zno纳米线肖特基势垒调控及其光电特性研究

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1、ManipulationofSchottkyBarriersofZnONanowiresandOptoelectronicPropertiesADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceByYangQingyaSupervisor:AssociateProf.ChengGangMay,2013摘要一维结构的氧化物半导体材料由于其潜在众多的应用。如：紫

2、外激光器，光敏二极管，气敏传感器和紫外光探测器等，并且作为构筑光电器件的结构单元受到越来越多的关注。光检测器是半导体纳米线是其中最广泛的应用前景之一。而ZnO是一种典型的N型宽禁带半导体，由于其宽禁带和大的激子结合能（60meV)，成本低廉，强的耐辐射性和易于制造等优点成为光检测领域最优异的材料之一。尽管许多研究组报道了ZnO纳米线肖特基势垒的光电输运特性在整流和传感器件方面的优异性能，越来越多的人对基于ZnO纳米线肖特基势垒紫外光检测器开展了许多有意义的研究工作，但是仍存在一些问题需要我们进一步研究。我们小组前期对ZnO和CuO纳米线肖特基势垒输运

3、性质的研究清楚的表明势垒受纳米线表面态的控制，但是由于表面态种类多样、形式复杂，主要包括：形成离子型化学吸附的氧分子；深能级施主型缺陷的氧空位等，导致目前人们仍然无法对氧化物纳米线肖特基势垒的势垒高度进行有效的控制。另外，不同类型的表面态（吸附氧和氧空位）在紫外检测中起的作用，同时对电学输运性质、灵敏度和回复时间上产生的影响都有待进一步研究。基于以上问题，在本论文中，我们选择利用不同环境气氛、不同光强以及对器件进行热退火三种方式对单根ZnO纳米线肖特基势垒器件表面态进行调控，深入研究了氧吸附和脱附的具体过程及热退火诱导下的ZnO纳米线肖特基势垒光电输

4、运性质。具体的研究工作包括以下几个部分：首先在第二章中：我们采用自制的ZnO前驱体做原料，利用气-液-固vapour-liquid-solid(VLS)催化反应方法制备出了ZnO纳米线，并对上述合成的ZnO纳米线进行了X射线衍射谱、紫外可见吸收光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等一系列表征。利用介电泳(电场组装)的方法实现了单根ZnO纳米线器件的构筑。成功构筑器件的基础上，在第三章中，我们研究了ZnO纳米线与金的肖特基接触型的单根器件在N2和O2两种气氛下的I-V性质及其光电流随时间的响应。发现暗态下，ZnO纳米线在O2气氛中的电流较N2气氛明显降

5、低了大约一个数量级；紫外光照射下，I在O2气氛中光电流的上升和衰减速率都比在N2气氛中的要快得多。然后，利用不同光强透过率的衰减片分别测试器件的IV特性，发现随光强的增加光电流逐渐增加；并通过用四探针法测试器件的电阻，证实了光响应主要是本征电阻起作用，光照能够有效减少单根ZnO纳米线的表面势垒。在第四章中，我们研究了在氮气环境下热退火处理对单根ZnO纳米线肖特基势垒器件性质的调控作用。测试其电流-电压特性，发现曲线特征由退火前的非线性向近似线性转变。考察了退火前后单根ZnO纳米线器件的光电流随时间响应曲线。结果表明，退火后器件暗电流和光电流较之退火前

6、出现明显增强。分析认为ZnO纳米线表面与氧有关的缺陷态的减少是其主要原因。关键词：表面态，光电输运特性，肖特基势垒，回复特性IIABSTRACTOnedimensionalZnOnanostructurehavereceivedmoreandmoreattentionsbecauseoftheirpotentialapplicationsasUVlasers,light-emittingdiodes,gassensors,andUVphotodetectors.Photodetectorsarethemostpromisingapplications

7、ofsemiconductingNWs.ZnOisatypicaln-typewidebandgapsemiconductorareregardedasoneofthemostpromisingcandidatesforUVphotodetectors.Becauseofitswidebandgap(Eg=3.3eV)withalargeexcitonbindingenergy(60meV),lowcost,strongradiationhardnessandeaseofmanufacturing.Althoughmanyresearchgroupr

8、eportedthatphotoelectrictransportcharacteristicsofZnOn