TiO_2基光电探测器的制备与性能研究

【摘要】紫外探测技术是如今研究开发的重要课题之一,在军事、通讯、空间科学、环境监测、生物细胞癌变监测等领域有着十分广泛的应用。随着宽禁带半导体材料与器件技术的快速发展,基于宽禁带半导体的紫外探测器有望取代传统的硅基紫外探测器,具有更广泛的应用前景和良好的发展潜力。宽禁带半导体材料具有较大的禁带宽度,与传统硅基紫外探测器相比,宽禁带半导体基紫外探测器可以避免使用结构复杂、价格昂贵的滤光器,实现“可见光盲区”紫外探测器,因此其在通讯、航空航天等领域具有很大的吸引力,得到人们的普遍关注和广泛研究。近年来,人们相继研究了多种半导体材料体系的紫外探测器,例如基于金刚石、GaN、SiC、ZnO等材料的探测器,但这些材料体系大多存在制备工艺困难、稳定性差等局限性,不利于大规模的应用。此外,同一种材料体系,由于制备的工艺不同,获得的光电特性差异很大。因此寻找更为理想的制备紫外探测器的半导体材料和结构具有十分重要的意义。TiO2作为一种宽禁带半导体材料,具有优良的物理化学稳定性、光电特性优良且价格低廉,在光催化、气敏器件以及太阳能电池等光电领域有着重要的应用前景。TiO2体材料的禁带宽度为3.0-3.2eV,主要吸收紫外光波段,对可见光几乎不吸收,紫外光区/可见光区响应对比度较高,因此具有高紫外探测灵敏度和可见光盲特性。此外,TiO2薄膜材料制备的工艺简单,为大批量生产低成本、高稳定性紫外探测器提供了有利条件。相对于金刚石基、GaN基、SiC基、ZnO基等较为成熟的紫外探测器,基于TiO2的紫外光电探测器的研究工作还比较少。目前为止,TiO2基紫外探测器的研究大多集中在锐钛矿相的TiO2。对于金红石相TiO2基光电探测器的制备及其性能还知之甚少,需要进行系统深入的研究。要制备高性能的紫外探测器,生长制备高质量的TiO2是至关重要的。金红石TiO2薄膜的单晶外延生长对于其物性研究及材料体系的其他应用也有着十分重要的意义。目前,金红石相TiO2单晶外延薄膜的生长主要使用的衬底是蓝宝石衬底,由于晶格失配较大,制备的薄膜存在大量的氧缺陷。本论文中,我们利用脉冲激光沉积方法,在具有良好晶格匹配性的单晶MgF2(110)衬底上外延生长出高质量的金红石Ti02薄膜。MgF2本身是一种十分重要的光学窗口材料,其折射率很低,从紫外到红外波长都具有非常好的透光性,被广泛应用于一些光学元件中。为制备紫外探测器器件,我们利用光刻技术在制备好的金红石Ti02外延薄膜刻制叉指电极,再利用溅射仪在图样上溅射一层Ni做为金属电极,完成面内结构的Ni-TiO2-Ni紫外探测器。光电探测结果显示器件对于波长大于370nm的光几乎没有响应(因低能入射光子不足以激发二氧化钛的能级跃迁),在300nm处产生了光电响应极大值,约为4.85A/W。对于波长小于260nnm的紫外光,探测器的光电响应明显下降。这是因为当入射光波长很短时,材料的吸收系数较大,光子穿透的深度减小,表面的复合速率变大,即光生载流子在还没有穿透耗尽层的时候就复合掉了,表现出响应的急剧减小。除了Ti02外延薄膜的探测器外,近期人们尝试将纳米晶Ti02薄膜制作成为光化学电池结构,并获得了性能十分优良的紫外探测器。和纳米晶Ti02薄膜相比,一维有序材料,如纳米棒、纳米管、纳米线阵列,具有很大的界面面积并可以提供载流子定向传输的快速通道。如果以Ti02的有序纳米材料代替传统的薄膜材料,这将有可能进一步提升Ti02的紫外探测性能。水热法制备纳米二氧化钛具有成本低廉、工艺简单、生长周期短等优点受到越来越多的关注,水热法在高压条件下低温即可实现Ti02的结晶。本论文通过水热法成功生长了Ti02纳米结构的样品,并对其制备的光电探测器的性能进行研究。利用水热法我们在FTO衬底上生长了金红石Ti02纳米棒阵列,对样品的结构、形貌及光学性质进行了表征,并利用所得样品制备了光化学电池结构的自供电紫外探测器。首先我们使用去离子水做为电解液,取代传统的碘离子电解液。获得的器件表现出和基于碘离子电解液的探测器可比拟的光电响应性能。而水对环境无污染,解决了碘离子液体容易腐蚀金属电极、长期稳定性差等问题。Ti02纳米棒阵列样品制备的器件在1.25mW/cm2紫外光照射下(λ=365nm),短路电流(ISc)和开路电压(Voc)分别是4.67μA和0.408V。器件光谱响应范围是在310nm到420nm之间,表明器件很适合UV-A波段的探测。无外加电压的情况下,器件响应度的极大值是0.025A/W出现在波长350nm处。对于辐射的强度是1.25mW/cm2的紫外光(λ=365nm),器件光电流的上升响应时间是0.15s,下降响应时间是0.05s。为了进一步增大TiO2的比表面积,进而获得响应度更高的紫外探测器,我们对TiO2纳米棒阵列样品作了改进,制备了纳米树结构的样品。TiO2纳米树紫外探测器最大的光电响应度是0.22A/W,在352nm处,IPCE是77%。与纳米棒阵列样品相比,TiO2纳米树基紫外探测器的Jsc和Voc都明显增加。性能最好的器件在2mW/cm2紫外光(λ=365nm)下Jsc和Voc分别是373μA/cm2和0.44V,光伏特性有明显的改善。器件性能的提高归结于以下几点：(1)与TiO2纳米棒阵列相比,TiO2纳米树的比表面积和粗糙度都更大,TiO2/电解液接触面积大,能产生更多的光生电子-空穴对；(2)单晶纳米棒是光电子的良好通道,光电子能很快的传导到FTO衬底；(3)纳米树杈的存在一定程度上增加了样品对光的散射,使光子的吸收效率提高。为了解决液体电解液容易泄露的问题,我们利用基于液晶的固态电解液代替传统的液体电解液,制备了新型准固态的TiO2基自供电紫外探测器。器件的光电响应比液态电解液制备的探测器响应度更好,同时解决了液体容易流失、长期稳定性差等问题。器件的工作的波长范围310-420nm,适合探测UV-A波段的光子。器件的响应度很高,最大值是0.09A/W,在383nm的位置。对于辐射的强度是2.5mW/cm2的紫外光(λ=365nm),器件光电流的上升响应时间和下降响应时间均小于0.3s。此外,我们还利用常见的有机p型半导体spiro-MeOTAD作为空穴传导层材料制备了自供电的全固态无机-有机异质结光电探测器。器件有良好的波长选择性,光谱响应曲线的峰值位于400到420nm,半峰宽(FWHM)仅有26nm,非常适合蓝光区域的探测。器件在不加外偏压的情况下可持续稳定工作,且响应速度快。强度75μW/cm2蓝光(λ=410nm)照射下,器件上升响应时间是0.12s,下降响应时间是0.06s。
【作者】解艳茹；
【导师】梅良模；陈延学；
【作者基本信息】山东大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】TiO2；紫外探测器；光化学电池；自供电；

【参考文献】
[1]许冠伟.“三法十式”治疗腰椎间盘突出症的临床疗效观察[D].广州中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[2]王萍韬.甘锌乳的质量控制和初步药理学研究[D].华中科技大学,药剂学,2013,硕士.
[3]杨婉悌.中国档案职业资格认证的探索[D].辽宁大学,档案学,2012,硕士.
[4]李清良.基于COMSOL闭式整体构件外流道电解加工流场分析[D].西安工业大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[5]孙玉生.军区科技论文管理系统的设计与安全性研究[D].东北大学,计算机技术,2011,硕士.
[6]李光远.高职院校学生社团政治参与研究[D].河北师范大学,政治学理论,2012,硕士.
[7]杨晋宇.中国管巢蛛科、圆颚蛛科和光盔蛛科的分类研究（蛛形纲：蜘蛛目）[D].河北大学,动物学,2003,硕士.
[8]袁艳霞.我国公共财政体制下公共医疗卫生研究[D].江西财经大学,财政学,2004,硕士.
[9]姬成伟.汉防己甲素及川芎嗪联用阻抑大鼠肝纤维化作用[D].山西医科大学,营养与食品卫生学,2002,硕士.
[10]陶贵丽,邓自立.含未知参数的自校正融合Kalman滤波器及其收敛性[J].自动化学报,2012,01:109-119.
[11]蒋芸,李战怀,张强,刘扬.一种基于粗糙集构造决策树的新方法[J].计算机应用,2004,08:21-23.
[12]王蒙.泰国宋卡府合艾市国光学校孔子课堂汉语教学总体设计调查与研究[D].广西师范大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[13]王静.县域经济发展中农户行为的变迁规律研究[D].扬州大学,区域经济学,2012,硕士.
[14]张海锋.大学生生活事件、大五人格与心理韧性的关系研究[D].南京师范大学,发展与教育心理学,2012,硕士.
[15]王梦春.铝合金熔体的泡沫陶瓷过滤技术[J].轻合金加工技术.1992(05)
[16]张莎莎.文化生态视野下的民族节庆研究[D].上海交通大学,文化产业管理,2014,硕士.
[17]李星.论我国公民文化权利保障中的国家义务[D].河北师范大学,宪法学与行政法学,2013,硕士.
[18]张淑敏.不同形貌TiO_2的制备、表征及其性能研究[D].中北大学,无机化学,2014,硕士.
[19]王坤凤.茯苓化学成分及质量控制方法研究[D].北京中医药大学,中药化学,2014,硕士.
[20]陈晓锋.AIC准则及其在计量经济学中的应用研究[D].天津财经大学,统计学,2012,硕士.
[21]李锦华.航天十一院科研生产计划管理改进研究[D].吉林大学,项目管理,2013,硕士.
[22]梁乐欣.论麦金太尔《德性之后》中的德性思想[D].吉林大学,外国哲学,2014,硕士.
[23]张宏超.永磁材料晶界改性与磁性能、耐腐蚀性能研究[D].太原科技大学,材料物理与化学,2014,硕士.
[24]张男.准格尔矿区煤矸石提取氧化铝及硅胶工艺技术研究[D].长安大学,地球化学,2013,硕士.
[25]郑冬冬.中国专家香山会议探讨石墨烯发展前景[J].半导体信息,2012,06:5-6.
[26]陆松.市场机制驱动的网格资源调度和分配模型研究[D].广西大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[27]胡艳平.山西省扫盲运动研究（1950-1956）[D].山西师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[28]王玉本.襄荷抗氧化活性物质的研究[D].天津科技大学,营养与食品卫生学,2010,硕士.
[29]刘宏,何兰芳,王绪本,何展翔,王娇.小波分析在MT去噪处理中的适定性[J].石油地球物理勘探,2004,03:338-341+247-248+369.
[30]胡光胜.PFWD在路基压实状态快速检测及均匀性评价上的应用[D].哈尔滨工业大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[31]胡恒波.英国早期教育专业教师EYPS培训研究[D].西南大学,比较教育学,2013,硕士.
[32]张浩,董洁文,吕孝鹏,王鑫,许元鲜,邵雪峰,王珊珊,邓雅丽,陈康烨,马锡英.用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜及其电学性能研究[J].物理实验,2013,06:44-48.
[33]张静.中国共产党与女子教育述论（1927-1949）[D].山东师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[34]李琦.大学生诚信危机及对策研究[D].武汉理工大学,思想政治教育,2012,硕士.
[35]李建.CXCL12-CXCR7轴在胰腺癌迁移侵袭中的作用及机制研究[D].北京协和医学院,普通外科学,2014,博士.
[36]张静.基于超顺磁性碳纳米管的近红外光控释纳米给药系统的研究[D].郑州大学,2014.
[37]王小峰.K_xFe_(2-y)Se_2超导体的制备及Ir掺杂研究[D].西南交通大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[38]葛小燕.铍试剂Ⅱ形成树脂分离富集Au（Ⅲ）、Pd（Ⅱ）和Pt（Ⅳ）[D].吉林大学,分析化学,2013,硕士.
[39]张雨诗.缺陷产品召回民事法律问题研究[D].辽宁大学,法律,2012,硕士.
[40]贺晓亮.实施战略管理，提升工程监理企业的竞争力[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[41]孙杰.数据挖掘技术在零售业领域中的应用研究[D].东北财经大学,企业管理,2003,硕士.
[42]纪桢.叶酸修饰的异土木香内酯长循环脂质体研究[D].西北大学,制药工程,2013,博士.
[43]苏艳霞.英汉双向未登录词翻译方法研究[D].复旦大学,计算机应用技术,2012,硕士.
[44]冯永波.直行待行区在平面十字交叉口的设置及效益评价[D].长安大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[45]白晓莉.城市配送系统的碳足迹研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[46]龙江.基于竞争优势的物流成长[D].华东师范大学,2004.
[47]林拉洁.基于ASP.NET的网上教务管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[48]罗书强.网络化制造模式下质量决策支持系统的研究[D].重庆大学,2003.
[49]王晓明.初中班级目标管理策略的研究[D].辽宁师范大学,教育原理（专业学位）,2012,硕士.
[50]杨明洋.废旧家电逆向物流运作模式及回收体系构建研究[D].成都理工大学,企业管理,2013,硕士.