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金属磷属化合物纳米线的气相合成及其光电器件研究

【摘要】:本文采用化学气相沉积法成功制备了几种金属磷属化合物半导体纳米结构,如Zn3As2、InP、Cd3P2纳米线和珠状结构的GaP纳米线,并对其形貌和晶体结构等进行表征分析;在此基础上,将所制备的纳米线成功地转移到被负载的基底表面,如硬质的SiO2/Si基底和柔性的PET或PDMS基底,再结合传统的光刻等一系列微加工工艺制备了单根纳米线器件和薄膜器件,如场效应晶体管、光电探测器等,并对其光学、电学以及相关的机械性能,稳定性等进行了体统的研究分析。所取得的主要研究成果可以归纳为如下: 1.首次采用化学气相沉积法制备了单晶结构的Zn3As2纳米线,纳米线的直径约为100-240nm,其长度可达到几百微米;单根Zn3As2纳米线晶体管表现出典型的p型半导体特性,其迁移率高达305.5cm2V-1s-1,开关比达到~105。进一步,我们采用接触印刷的方法,将所合成的Zn3As2纳米线转移并有序排列在硬质的SiO2/Si衬底和柔性的PET衬底上,得到有序排列的纳米线薄膜,在此基础上,制备了基于有序排列纳米线薄膜的场效应晶体管和光探测器器件。基于硬质的SiO2/Si衬底和柔性的PET衬底的薄膜光探测器均对可见光表现出了良好的光开关特性。同时,相对于单根纳米线的器件,该种薄膜器件具有更小的光响应时间和更大的光生电流。此外,柔性的Zn3As2纳米线薄膜光探测器也展示出了快速的响应速度,重复光开关性和电学稳定性;同时具有优越的机械柔性和抗弯折性。这些结果表明Zn3As2纳米线在下一代纳米光电探测器领域具有广泛的应用。 2.采用化学气相沉积法制备了两种Ⅲ-Ⅴ族磷属半导体化合物纳米结构,InP纳米线和GaP纳米线。单根的InP纳米线晶体管展示出典型的n型半导体特性,其电子迁移率达到1.21cm2V-1s-1。单根纳米线器件对可见光(633nm)具有良好的光响应特性,且对可见光(633nm)具有较好的灵敏度,其灵敏度和外量子效率分别高达779.14A W-1和1.53×105%。结合接触印刷的方法和传统的光刻等工艺,在硬质的SiO2/Si衬底和柔性的PET衬底上制备了基于有序排列的InP(或GaP)纳米线薄膜光探测器。两种排列的InP和GaP纳米线薄膜光电探测器对可见光均表现出良好的光响应特性;另外,两种基于柔性基底的有序排列的InP和GaP纳米线薄膜光电探测器对可见光也都表现出良好的光响应特性,优异的机械柔性,优良的抗弯折性能以及电学稳定性,但相对于其硬质基底的器件,光探测性能有所降低,这是由于光伏材料与柔性衬底的接触不稳定有关。 3.采用化学气相沉积法在水平管式炉中首次制备了珠状结构的GaP纳米线,纳米线中球状部分的直径为100-400nm,线状部分的直径大约为150nm,纳米线的长度高达几百微米;单根珠状的GaP纳米线晶体管表现出典型的p型半导体特性,且其阈值电压和开关比分别达到3.4V和~102。此外,p型的珠状GaP纳米线与n型的有机物PCBM进行复合,在硬质的(SiO2/Si)衬底和柔性的(PET, PDMS和普通的粘胶带)衬底上制备PCBM/GaP纳米线的复合薄膜光探测器,结果显示,这几种复合薄膜光探测器对可见光均表现出了良好的光响应特性。在相同的测试条件下,相比较于纯的GaP纳米线薄膜和PCBM薄膜光探测器,这种复合器件的光响应特性有了显著的提高。就硬质基底上的器件而言,复合后的器件表现出了快速的响应时间(43ms)和较大的开关比(~170)。同时,基于柔性PET、PDMS和普通的粘胶带表面衬底上的PCBM/珠状的GaP纳米线复合薄膜光探测器均也表现出了与硬质复合器件相似的光响应特性,并且具有良好的机械柔性、电学稳定性以及快速的响应速度。 4.首次在Cd片上制备了单晶结构的Cd3P2纳米线。硬质SiO2/Si衬底上单根Cd3P2纳米线晶体管表现出典型的p型半导体特性,且其空穴迁移率和电容分别达到2.94cm2V-1s-1和4.0×10-16F。单根的Cd3P2纳米线光探测器在全光谱范围内表现出良好的光响应特性,在波长300~1300nm的光照射时,其具有较大的灵敏度(1.4×103~5.9×104AW-1)。基于硬质SiO2/Si衬底和柔性PET衬底上的PCBM/Cd3P2纳米线的p-n结复合光探测器表现出与纯的单根Cd3P2纳米线器件相似的光开关特性。两种复合器件均表现出良好的灵敏度,快速的响应时间以及稳定的电学性能,同时,两种器件都具有良好的全光谱响应特性。相对于纯的Cd3P2纳米线器件和PCBM器件,复合后的光探测器的光响应特性均有了显著的提高。复合后的柔性光探器件相对于硬质衬底的复合器件,其性能有所降低,这可能与光伏材料与柔性衬底接触情况有关。另外,在不同弯折程度和不同弯折次数下,其光响应特性维持恒定,表明该复合器件具有良好的机械柔性、抗弯折性能以及电学稳定性。

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