BiOCl材料的偶极矩调控及其异质结光电器件特性研究

Semiconductor ultraviolet photodetectors have a variety of potential applications. Recently, achievement of high performance photodetector has drawn much attention. Among many factors, separation efficiency of photoinduced carriers acts as one of the dominated factor which determines the performance of photodetector. The dipole-induced internal electric field could promote the rapid separation of carriers. Herein, utilization of dipole moment for promoting the carriers separation and improving performance of photodetector is proposed. Therefore, finding the strategy to gain large dipole moment is meaningful and pivotal. In this work, BiOCl is selected and the dipole moment of BiOCl is tuned by fluorine doping. Enhanced dipole moment of BiOCl and internal fields in p-BiOCl/n-ZnO heterostructure were combined, which leads to rapid separation of carriers and high performance of photodetectors. Understand the relationship between device performance and dipole moment will be instructive for further expand application of dipole moment in the field of photoelectric device.

半导体紫外探测器在国防及民用诸多领域有广泛的应用前景。近年来，如何不断提高紫外探测器性能受到人们的关注。光生载流子的分离效率是影响探测器性能的关键因素，如何实现载流子快速分离成为摆在我们面前的重要问题。偶极矩效应普遍存在于多种材料之中，其产生的局域电场能够极大地促进光生载流子快速分离，因此利用偶极矩效应提高探测器性能是一条切实可行的途径。综上所述，本项目将以BiOCl材料的偶极矩为研究对象，以氟化物为掺杂源，利用掺杂手段对偶极矩进行调控，实现偶极矩增强及光生载流子的高效分离；以BiOCl及ZnO为工作物质构建p-BiOCl/n-ZnO异质结，利用偶极矩与结型器件内建电场叠加，进一步提升载流子的分离效率，进而提高紫外探测器的性能。本项目的成功实施将为实验调控偶极矩并用以提高BiOCl材料光电性能奠定理论和实验基础，还将推进偶极矩效应在其它半导体光电器件中的应用。

BiOCl、ZnO等宽禁带半导体具有优异和独特的物理特性，是重要的半导体材料，在紫外探测器领域有潜在的应用价值。发展一种能够增强BiOCl材料偶极矩的策略；建立一种有效的异质结构建的方法；揭示光生电子空穴分离、传输和复合的机制；设计和构建高性能光电器件是紫外探测器应用和发展的关键科学问题和难点。本研究课题针对以上问题，利用水热法、溶剂热法、原子层沉积法，围绕BiOCl材料的可控合成、掺杂及相关的异质结光电特性开展了研究工作，取得了具有一定意义的研究成果。明确了不同暴露晶面对光生电子空穴分离效率的影响；发现氟元素掺杂能够提升光生电子空穴分离效率；研究了BiOCl/ZnO异质结的能带结构，通过XPS光电子能谱确定了BiOCl/ZnO异质结的能带为II型能带结构。ΔEV为0.294±0.10 eV，ΔEC为0.324±0.10 eV，本部分研究结果将对于深入理解BiOCl/ZnO异质结的物理性能起到重要作用。此外，还制备了ZnO、TiO2等宽带隙材料的异质结，对光生电子空穴分离效率及光电探测器性质进行了系统研究。上述成果为研发用于高性能紫外探测器的材料提供了一种有效的策略。本课题执行期间，发表SCI学术论文6篇，申报国家发明专利1项。