TiO2/WO3复合纳米线阵列的构筑及其光电分离机制研究

The main research contents are the fabrication of patterned TiO2/WO3 nanowire arrays and investigations on its photo-electric separation and transport properties. Here, we fabricate large scale TiO2 nanowire arrays with different density and spacing distance by nanoimprint lithography (NIL) method combined with the subsequent hydrothermal reaction process. By using magnetron sputtering method core-shell.structure of TiO2/WO3 nanowire arrays will be obtianed.The photo-electric response and charge carriers transport properties can be influenced greatly by the density and spacing of the core-shell TiO2/WO3 nanowire arrays. Nanoimprint lithography technique is the main method that we can use for controlling the build in field between TiO2 and WO3 nanowire arrays. By using this technique the heterojunction property of TiO2 and WO3 will be tuned and the arrays will be changed in the optimum for increasing the separation efficiency of photo-generated charge carriers. Surface photovoltage spectrum and Photoinduced SPM are used for investigating the photo-generated charge carriers transport and separation process under the light irradiation. These results can provide theoretical and experimental basis for nanowire arrays based photo-electric devices.

研究的主要内容涉及大面积间距可控TiO2/WO3纳米线阵列的制备及其在光激发下光电分离和传输特性研究。利用纳米压印技术和一维纳米材料的水热生长技术相互结合构筑间距和密度可控的TiO2纳米线阵列结构，通过磁控溅射技术制备具有高光电转换效率的TiO2/WO3核-壳结构纳米线阵列。其中纳米压印技术是构筑该阵列结构的核心技术，通过该技术可以调控阵列的间距以改进TiO2和WO3异质结内建电场的分布，提高异质结光电转化作用层的有效面积，减少光生载流子的复合几率，提高复合体系的光电转换效率。利用表面光电压谱和已建立的光诱导扫描探针显微镜(PISPM)，在微/纳尺度上深入研究复合体系TiO2/WO3阵列结构在光诱导下的光电荷转移机制和过程，为以纳米线阵列为基础的光电子器件的设计提供可靠的实验数据和理论支持。

以TiO2, ZnO等氧化物半导体纳米线阵列为基础的光电器件中，纳米线阵列中线与线之间的间距和密度以及阵列的形貌特征对其光电特性有着重要的影响。也对以纳米线阵列为基础的一些纳米器件的构筑有着重要的意义。因此通过一些微加工技术手段来调控纳米线之间的间距构筑图案化的纳米线阵列就变得十分重要。在本项目中, 首先利用自组装聚苯乙烯微球（Polystyrene microspheres，简称PS微球）有序纳米结构作为模板，构筑了聚二甲基硅氧烷（Polydimethyl meth siloxane，简称PDMS）纳米印章有效的解决了纳米压印过程中模板制备困难的问题。然后利用纳米压印技术结合磁控溅射技术构筑了具有陷光作用的半球形氧化锌纳米圆顶阵列。通过低温水热生长的方法制备了功能化的半球形氧化锌纳米棒阵列，通过控制水热生长温度和溶液的浓度来控制半球形氧化锌纳米棒阵列的周期性，得到了具有可调节光吸收带隙的氧化锌纳米结构。结合紫外-可见吸收光谱并对其陷光现象的原因进行了初步探讨。利用电子束刻蚀技术与水热法结合的ZnO生长方法在氧化铝基底上构筑了高度有序、垂直对齐的ZnO纳米棒阵列。通过控制水热生长过程溶液浓度、水热温度、水热时间、PEI分子添加量可以实现对ZnO纳米棒阵列形貌、密度、形貌的有效调控。通过纳米压印辅助的方法成功的将纳米棒阵列转移到了导电ITO基底上，并且在转移过程中构筑了Ag金属电极。I-V测试结果显示，金属与氧化锌纳米棒之间形成了欧姆接触，有效的消除了氧化锌纳米棒的表面态，从而提高纳米器件的性能，对构筑高性能以纳米线阵列为基础的纳米器件具有一定的指导意义。