一维纤锌矿半导体材料的光电探测器件及应变调制研究

Wurtzite semiconductor with direct wide bandgap (ZnO, GaN etc.), in general, offers promising attributes for a wide variety of applications in field of light emission and photodetection. Furthermore, the unique piezoelectric property endows these materials with superior piezo/optoelectronic coupling characteristic due to the lack of centrosymmetric structure. Compared with the bulk, the one-dimensional morphology represents the merits of low defect concentration, excellent transport performance, outstanding mechanical property and easy integration. These advantages make the 1D wurtzite semiconductor as one of the most scientifically intriguing materials and have attracted attention from worldwide. By taking the advantage of the piezo/optoelectronic coupling characteristic, this program focuses on the fabrication of flexible photodetection devices with Schottky and p-n junction contacts. Meanwhile, the interface engineering strategy is applied to modulate the separation of carriers at the contact and thus to enhance the detection performance. The key research contents include the explorations of how the coupling characteristic affects the band diagram and the mechanism of improving sensitivity. The innovation lies in the fabrication of flexible photodetection devices using individual 1D nanomaterial or horizontal nanomaterial arrays to increase the sensitivity to 1000-10000% and reduce the response time to millisecond level.

宽帯隙纤锌矿半导体材料(ZnO﹑GaN等)已经被广泛应用于光发射和光电探测器件等领域。同时这种纤锌矿结构没有对称中心，具有独特的压电性能，赋予了这类材料优异的光电/压电耦合特性。相比块体材料，一维结构的纤锌矿半导体材料具有缺陷密度小﹑载流子传输性能好﹑机械力学性能优良及易于集成纳米器件和系统等优势，已经成为令人瞩目的研究热点。 本项目利用宽帯隙纤锌矿半导体材料独特的光电和压电耦合性能，研制基于这种一维材料的肖特基型和PN结型的柔性光电探测器件，并调制器件界面或结区载流子的分离率，提升光电探测器件性能；重点研究光电/压电耦合效应和对能带调控的规律，以及提高探测灵敏度的机制。创新之处在于利用单根或水平方向取向多根的一维纤锌矿半导体材料制备柔性光电探测器件，应变调制器件的性能，提高灵敏度到1000-10000%、缩短响应时间为毫秒（ms）级。

宽帯隙纤锌矿半导体材料(ZnO﹑GaN等)已经被广泛应用于光发射和光电探测器件等领域。同时这种纤锌矿结构没有对称中心，具有独特的压电性能，赋予了这类材料优异的光电/压电耦合特性。相比块体材料，一维结构的纤锌矿半导体材料具有缺陷密度小﹑载流子传输性能好﹑机械力学性能优良及易于集成纳米器件和系统等优势，已经成为令人瞩目的研究热点。..本项目立足于一维纤锌矿半导体材料柔性光电探测器件研究，重点研究一维半导体材料在柔性基底上取向排列的技术、力-光-电耦合效应及应变调控光电探测器件性能的机理。主要开展了如下研究工作：原位调控生长一维纤锌矿半导体材料；研究了一维纤锌矿半导体材料物理性能；构筑了基于一维纤锌矿半导体材料的肖特基型和PN结型光电探测器件，并测试了光电响应性能；研究了应变对光电探测器性能的调控机制。创新之处在于利用单根或水平方向取向多根的一维纤锌矿半导体材料制备柔性光电探测器件，应变调制器件的性能，提高灵敏度到1000-10000%、缩短响应时间为毫秒（ms）级。..通过本项目的研究，有望提高我们在纤锌矿半导体纳米材料及器件的研究水平，同时可促进材料、物理、化学、力学等学科的发展和交叉与融合，推动我国纳米材料和技术的基础研究和实际应用的进步。