表面态对氧化物半导体低维纳米结构光电性能的影响

The project mainly focuses on the physical properties of surface states of oxide nanowire Schottky barrier, investigates the mechanism of the influences of surface states on barrier, studies the novel thermodynamic process and capturing carriers process of surfaces states,and reveals its influences on the physical properties of nanostructure, which should provide new modulation method of surface states and theoretical principle of novel nanodevices. The detailed research contents include: (1) Investigate the influences of quantity, state and interaction of adsorbed oxygen, oxygen vacancy and adsorbed H2O on barrier height and interface electric field, and study the influence of existing states of surface states on barrier and the corresponding physical mechanism. (2) Investigate the thermodynamic process of surface states induced by the variation of atmosphere and temperature, study the influence of Fermi level position on the thermodynamic process of surface states, and reveal the corresponding physical mechanism. (3) Investigate the dynamic process of capturing electrons and photogenerated holes by surface states, study the influences of interface electric field on the capturing process, and reveal the corresponding physical mechanism.

本项目主要研究ZnO等氧化物纳米线表面态的物理属性，揭示表面态控制势垒的物理机制和微观过程，探索表面态独特的热力学转变过程和捕获载流子的动态过程，并进而研究其对纳米结构性能的影响，为探索调控表面态的新方法、发展新型纳米器件提供理论基础。主要研究内容包括：（1）研究吸附氧、氧空位、吸附水等表面态的数量、形态、及其相互作用对纳米线肖特基势垒高度、界面电场的影响，探索表面态控制势垒的物理机制；（2）研究环境和温度变化时表面态的热力学变化过程，探索费米能级位置的改变对表面态热力学变化过程的影响，揭示费米能级调控下表面态热力学过程的物理机制；（3）研究表面态捕获电子和光生空穴等载流子的动态过程，探索界面电场对动态过程的影响，揭示界面电场调控下表面态捕获载流子的物理机制与微观过程。

在本项目中，我们研究了多种氧化物半导体纳米结构中表面态对其光电输运特性的影响，分析了表面态的动态变化过程，并建立了多种调控表面态的新方法。具体研究内容如下：. 首先，在ZnO纳米线core/shell结构的光电传输特性研究中，我们发现表面态是控制肖特基势垒进而控制其光电传输特性的关键因素。通过变温传输特性测试，我们发现光生电荷的分离受表面态和界面电场的共同作用，在低温区电荷分离主要受界面电场的控制，在高温度电荷分离主要受表面态的控制。为了调控纳米线的表面态，我们在纳米线表面进行核壳生长和量子点修饰，动态光电压测试表明表面态的调控是促进光电分离的有效手段。. 研究了ZnO等氧化物半导体纳米结构表面吸附氧对表面态及其光电输运特性的影响和调控作用，研究结果表明吸附氧是控制肖特基势垒高度的重要因素，并发展了室温下具有超高灵敏度的气敏传感器。通过研究真空和光照条件下吸附氧在ZnO纳米线表面的脱附过程，我们发现了吸附氧的多步脱附过程，光照下的脱附行为受吸附氧的吸附位置控制。通过这些实验结果，我们提出了吸附氧和氧空位在光照作用下的相互作用、脱附、扩散的动态过程模型。. 利用摩擦纳米发电机实现了空气条件下分子的电离，进而发展了一种新型的使带电分子吸附在纳米结构表面的新方法。测试结果表明，这种新型的表面分子吸附的调控手段不仅可以对一维超细纳米线的光电特性进行调控，同时可以对二维超薄薄膜器件的光电特性进行调控。这种新型的调控方法和手段在调控半导体纳米结构的表面分子吸附、分子的吸附位置、分子吸附与表面缺陷的相互作用等方面具有重要的应用。. 通过以上研究，发表SCI论文20篇；申报国家发明专利3项；在本项目执行期间培养毕业博士研究生3人、硕士研究生16人，新招收博士研究生5人、硕士研究生10人；获得河南省科技进步二等奖2项。