高效纳米半导体自驱动传感器件一体化研究

This proposal is about novel nanodevices and integration, the objectives are to fabricate self-powered UV detectors and strain sensors based on semiconductor nanostructures and the corresponding performances will be investigated systematically by using nano-manipulation system, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscope (AFM)..The self-powered nanodevices will be constructed based on semiconductor nanostructures and their corresponding performances will be investigated. The influences of contact type, irradiation position, ultraviolet light intensity, ultraviolet wavelength, fixed bias and other factors on the performance of devices will be studied..We propose to modulate the optoelectronic and electromechanical coupled behavior in nanostructured devices, systematically investigate the relationship between microstructures and properties. Moreover, the nanodamage of the nanomaterials and the service safety of nanodevices will also be investigated..The aim of the propasal is to provide theoretical basis, experimental technique and research methods for the fabrications and applications of functional nanomateials, and will be significant to the research on the development and applications of self-powered nanodevices based on the functional nanomaterials.

围绕纳米半导体自供能和器件应用一体化设计和构筑中的能量转换和多场耦合效应等科学问题，利用我们和Bruker公司共同设计的首台紫外光聚焦原子力显微镜、扫描电镜和透射电镜下的原位操纵与表征技术，开展以下主要研究：（1）以半导体纳米材料如ZnO、GaN等为基本单元，构筑自驱动光探测和应变传感器件，研究接触、辐照及应力等因素对器件性能的影响规律，并探讨其内在的物理机制；（2）对纳米半导体自驱动器件的性能进行调控，探索器件在光电、力电耦合下的多重特性，揭示器件材料的微结构和性能之间的相互关系；（3）研究纳米半导体材料自驱动器件的服役行为及性能演变规律，研究电致损伤、力损伤及辐照损伤对材料结构的影响，探究器件损伤的内在机理。.通过对半导体纳米器件加工和构建过程中基本物理问题的研究，实现纳米半导体自驱动器件的一体化及综合性能优化，为自驱动纳米半导体器件的应用提供重要的实验和理论基础。

本项目围绕纳米半导体自供能和器件应用一体化设计和构筑中的能量转换和多场耦合效应等科学问题，利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）下的原位操纵和表征技术，对构筑的器件结构和物性进行表征，研究多场耦合对器件性能的影响，并探索材料和器件的损伤失效行为。主要研究内容：.（1）构建了四种不同结构的紫外探测器件。四种器件都表现出良好的整流特性，对紫外光均有明显的光响应。在负偏压下，器件对紫外光敏感度比在正偏压下高；在零偏压下，都有明显的自驱动特性。.（2）构建了纳米电子束传感器。肖特基型T-ZnO传感器较欧姆型传感器对电子束辐照的响应更为敏；随着辐照位置离晶核距离的减小，器件的电流响应增大；随着电子束能量的增加，器件对辐照的响应增大。.（3）构建了多种应变传感器件。经对比实验发现，紫外光可以调控单根ZnO纳米/微米线的应力传感器的性能。以太阳光照为能量来源可实现自驱动ZnO/PEDOT:PSS应变传感器的自驱动运行。另外，还构筑了压电开关、压电场效应晶体管、压电子应力传感器、电阻应力传感器等器件。压电开关的电流开关比和开启力分别为1.6×104和180 nN。压电场效应晶体管可探测纳牛顿量级的力压电子应力传感器可以探测物体的振动频率。压电阻应力传感器可以探测柔性笔中的应力。.（4）研究了紫外探测器件的多场耦合效应：W/ZnO/Ag型器件，灵敏度随ZnO弯曲应变的增大而增加。Ag/ZnO/Ag型器件，光/暗电流比随应变量的增大而增大。ZnO/MAPbI3结构的器件，灵敏度随应变的增大而减小；研究了应变传感器的多场耦合效应：利用紫外光可将基于ZnO四针的器件灵敏度提高。2.5V偏压下，紫外光辐照时，ZnO纳米/微米线器件电流随加载力增大而增大。.（5）研究了纳米半导体器件的损伤失效行为。在构建的ZnO纳米带与6T薄膜杂化器件中，当通过6T薄膜的电流密度低于临界电流密时，器件可以安全工作。在SEM及TEM下对损伤后的器件材料进行结构分析，研究了损伤失效对材料结构的影响，揭示了材料的微结构和性能之间的相互关系，并探讨了器件损伤的内在机理。