基于化学溶液沉积法可控制备高性能MgZnO基紫外探测器

Due to the advantages of adjustable band gap, high radiation resistance and environment-friendly, UV photodetectors based on MgZnO alloy have gained much attentions. Abundant of achievements have been reached by using the high vacuum based methods in the past decade. However, difficulties such as low crystallization, structural phase transition and low photoelectric performance still exist in the preparation of MgZnO-based nanostructures by the chemical solution deposition which is a low-cost method to prepare functional oxides. This project concentrates on the investigation of MgZnO based nanostructured photodetectors by the chemical solution deposition. Firstly, we conduct systematic investigations on the intermediate phase transformation, thermodynamic and dynamic performance of MgZnO single crystal alloy during the preparation process by means of the methods such as quenching and in-situ resistance measurement. Secondly, we investigate the key parameters influencing the surface/interface strain energy which are essential to determine the growth orientation of MgZnO nucei for the purpose of preparing high quality low-dimensional nanostructures; we also study the physical and chemical mechanism related to the self-assemble process of low-dimensional nanostructures. Finally, we construct heterostructured MgZnO nanocomposite by means of the insertion of oxide semiconducting nanoparticles within MgZnO matrix in order to further improve the photoelectric performance of the MgZnO based UV photodetectors.

MgZnO半导体材料因具有较宽的带隙调制范围、较强的抗辐射能力以及环境友好等优点，使其在高性能紫外探测器方面有着广阔的应用前景。目前，比较成熟的研究工作主要依赖于以高真空设备为基础的制备方法。然而，利用低成本的溶液法制备MgZnO基紫外探测器件仍存在结晶质量差、结构相变和光电性能低等难题。本项目拟对基于溶液法制备高性能MgZnO基紫外探测器件展开研究：首先，研究MgZnO合金在制备过程中的中间相演变及晶体生长的热动力学性能，阐清制备高质量、能带大范围可调的六方相MgZnO单晶薄膜的热动力条件及物相稳定机制。然后，通过调整界面应变能及工艺参数等手段，控制晶体形核方式和原子扩散方向，探索制备高结晶质量、有序排列和高性能MgZnO低维纳米结构的工艺条件，阐清低维纳米结构自组装的热力学原理。最后，构建MgZnO合金与半导体氧化物纳米颗粒复合而成的纳米复合结构，以期进一步提升紫外探测器的光电性能。

基于宽禁带半导体的紫外探测器是一种军民两用型器件，它因工艺简单、无需滤光片及可制成面阵器件等优点而备受关注。其中，多元氧化物半导体材料，如MgxZn1-xO (MgZnO)、ZrxTi1-xO2等，因具有连续可调的光学带隙和稳定的光电性能，近年来，以其为基质材料的紫外探测器获得了极大的重视和迅速的发展。目前，比较成功的研究工作主要依赖于以高真空设备为基础的制备方法。然而，利用低成本的溶液法制备多元氧化物基纳米紫外探测器件仍存在结晶质量差、结构相变及机械性能不足等问题。本项目针对基于溶液法可控制备高性能多元氧化物基紫外探测器展开研究：. 利用静电纺丝法获得了MgZnO纳米纤维前驱膜，采用传统热处理工艺Mg最高掺杂量为24 mol%，对应禁带宽度为3.75 eV，在3 V驱动电压和350 nm光照下，可获得nA级别的光电流和2-3个量级的光暗比，且响应速度均小于1s；提高加热速率至1200 ºC/min，Mg的有效掺杂量可达40 mol%，而该MgZnO合金存在响应速度慢的问题；进一步采用Pechini法，Mg的有效掺杂量可高达45 mol%且能保持较高的光电性能。. 采用静电纺丝法制备了自支撑Y3+-TiO2柔性纳米纤维膜，在3 V偏压和350 nm光照下，可获得超过四个量级的光暗比，且紫外可见判别比超过一个量级；在不同机械形变下，2 mol% Y3+-TiO2纳米纤维膜在机械形变下仍具有稳定的光电流输出，且在循环弯曲两万次后仍能保持～60%的初始光电流；设计了一套暗箱测试系统，将探测器安装在可遥控控制的机械手臂的关节处，构建了可对紫外光进行实时监测的可穿戴光电探测系统，并对其在静态和动态下的机械适应性做了评估。. 采用水热法，在MgZnO和ZrxTi1-xO2纳米纤维上原位生长p型半导体纳米材料来构建异质结（如TiO2/NiO和TiO2/MoS2），实现了对材料光吸收特性及光生载流子行为的有效调控，进而实现对材料光电性能的改善并获得其他所需的光电性能，如自驱动、整流效应等。. 本项目的研究结果将为实现低成本的可控制备低维多元氧化物纳米材料并应用于高性能紫外探测器提供理论和实验基础。

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