多尺寸氧化锌量子点在石墨烯中的多层梯度组装及紫外探测研究

ZnO quantum dots (QDs)with various size will be synthsized using a facile approch. The band-gap will be adjusted through the quantum confiment effect to extent the absorption and optoelectric response from near to deep UV area. An appropriate configuration of the energy levels will be design and a fast chanel for electronic transport will be built up combining with the nice optoelectric property and unique energy level structure. Assisted with the abound surface states of graphene, vaious-sized ZnO QDs will be assembled gradiently layer by layer to form a multilayered sandwich structure, where the UV light will be gradually absorbed from short to long wavelength through interband transfer. The device property will be improved because the phonon effect is suppressed.Based on optical and electrical transient analysis, such as fast spectrum, pulse electric drive, the energy level offsets in materials and devices will be investigated, the dynamic process and mechanism of the optical transfer, generation-separation-transport of photo-produced charge carriers will be explored systematically. The research results are expected to support the nanomaterial development and novel nanodevice design.

本项目拟采用较为便捷的方法制备不同尺寸的ZnO量子点，通过量子限域效应调控其带隙，获得从近紫外到深紫外区的带间吸收和光电响应；利用石墨烯优良的光电性能和特殊的能带结构，与ZnO量子点形成合理的界面能级配置，建立电子传输的快速通道；借助于石墨烯的丰富表面进行不同尺寸量子点的逐层梯度组装，形成量子点尺寸渐变的多层三明治结构，构建对紫外光由短波到长波逐层被带间吸收的紫外探测器件，有效降低声子效应，从而提高器件性能。利用快速光谱、脉冲电场驱动等多种光谱学与电子学瞬态分析技术，研究材料与器件中界面的能级配置，深入探讨光学跃迁、光生载流子的产生、分离与输运等微观机制，在探索新型器件设计与构建技术的同时，描绘器件工作的物理模型，为相关纳米器件的研发提供理论依据与技术支持。

ZnO是最重要的II-VI 族半导体材料之一，具有诸多优点，如形貌丰富、合成方法多样、原料廉价易得、热稳定性好、载流子迁移率高尤其是它的耐辐射性能十分优异，这使得ZnO材料非常适合使用于恶劣的环境中。特别地，由于微纳米结构的小尺寸效应、量子尺寸效应等，使得微纳 ZnO 材料与其体材料相比具有更加优异的性能。而在微纳米结构中，ZnO量子点和微米棒与薄膜相比又具有许多明显的优点，主要表现为：（1）制备方法简单，条件温和；（2）比表面积大，为氧的吸附提供了十分有利的化学环境和电荷环境；（3）尺寸容易控制，易实现对深紫外的高效吸收与光电响应，因此将ZnO量子点和微米棒应用于紫外探测器的构建以增强其性能的研究得到广泛关注。此外将ZnO 微纳米结构与其它一些功能材料相结合所构成的复合体系也会产生一些单一ZnO材料所不具备的特殊性质与功能。特别是石墨烯作为单层的二维材料，巨大的比表面积为量子点的表面组装提供了极好的平台，而它特殊的能带结构和优良的电学性能又为量子点的电子转移和快速传输提供了很好的通道，同时也构建贵金属材料与ZnO 微纳米结构的器件，使它们在相关材料的性能调控、界面的载流子传输和新器件功能设计等方面有很多优势。.因此，本项目利用ZnO微纳米结构独特的性质，以纳米科学本身的优势为依托来构建紫外光电器件，从而获得了良好的光电响应性能。我们融合ZnO量子点与石墨烯的结构与性能优势，利用较为便捷的方法调控ZnO量子点和微米棒的性能、扩展它们从近紫外到深紫外区的光电响应，借助于石墨烯及其衍生物的丰富表面进行量子点的组装，同时也以ZnO微米棒为基础与金相结合，进而设计和构建紫外探测器件，调控界面的能带结构与器件的光电特性。