高灵敏度柔性ZnO/石墨烯异质结紫外光电探测器研究

Ultraviolet (UV) detectors have wide application prospect in military and civilian fields. UV detectors should have high sensitivity in order to detect the weak UV signal. In addition,practical applications require large-scale and low-cost integration, compatibility with flexible electronics, as well as facile device fabrication. This project will develop ZnO quantum dots (QD)/graphene hybrid UV photodetectors based on flexible substrates in order to improve the efficiency of photoelectric detection, sensitivity, response time. By fabricating flexible UV detection transistor, the photocurrent signal will be further regulated through the gate terminal voltage. The material quality and interface structure will be improved by the surface plasmon modification of reduced graphene oxide and in-situ synthesis of ZnO QDs on graphene. The relationship for transport, recombination, and extraction of carriers are to be investigated to build up theoretical model for illustrating the transport mechanism of carriers in circuits and gain mechanism. This research proposal can not only supply new methods to enrich the photodetector research system, but also deepen the understanding of the physical mechanism and provide experimental foundation for development of next generation flexible UV photodetection technology.

紫外探测器在国防和民用领域具有广泛的应用前景，为了实现对紫外弱信号的探测，要求紫外探测器具有高的灵敏度。此外，能够实现低成本大规模集成的柔性紫外探测器件是目前紫外探测应用的迫切需求。本项目以基于柔性衬底的ZnO量子点/石墨烯复合体系探测器为研究对象，采用还原氧化石墨烯表面等离子体改性、石墨烯表面无侨联分子原位制备ZnO量子点等方法优化材料体系及界面结构，利用FET结构对光电流信号进行调控，制备出高灵敏度柔性ZnO量子点/石墨烯紫外探测器。从理论和实验两方面进行界面的接触势垒研究，深入研究ZnO/石墨烯间载流子转移通道、栅极电压对费米能级的位置调控及界面耦合机制等物理问题。通过理论模拟，优化器件的结构，完善器件制备工艺，最终制备出高性能柔性ZnO量子点/石墨烯复合体系紫外探测器，为新型紫外光探测技术的发展提供新途径，同时也为柔性紫外光电子器件研究奠定基础。

本项目以基于柔性衬底的ZnO/石墨烯复合体系探测器为研究对象，探索载流子调控的新方法、新途径以提高器件性能。具体成果如下: (1) 通过旋涂的方法在以Al2O3为基底材料的叉指电极上制备了的不同形貌的纳米ZnO薄膜，探索了不同形貌对ZnO光电性能的影响，其中ZnO纳米线性能最优。这主要是由于一维纳米线具有大的比表面积，并且载流子迁移速度更快。（2）通过旋涂的方法在以柔性PI为基底材料的叉指电极上制备了ZnO纳米线薄膜，随后通过数次滴加g-C3N4 QDs溶液以旋涂方式制备得到异质结薄膜，最后通过热蒸发在异质结薄膜一侧制备电极构建了异质结光电探测器，通过光电性能测试比较，相对于纯ZnO纳米线，光响应率提高了将近10倍，并且响应速度也得到了明显提高。（3）通过旋涂的方法在以柔性PI为基底材料的叉指电极上制备了ZnO纳米线薄膜，随后通过数次滴加石墨烯溶液以旋涂方式制备得到异质结薄膜，最后通过热蒸发在异质结薄膜一侧制备电极构建了异质结光电探测器，通过光电性能测试比较，相对于纯ZnO纳米线，光响应率提高了将近4.5倍，并且响应速度也得到了大幅度的提高，同时对于柔性器件也具有良好的性能稳定性。（4）为了提高太阳光的利用效率，提高光阳极的可见光响应强度，拓宽吸收光谱，采用上转换纳米粒子@二氧化硅@金核壳结构与不同尺寸的TiO2纳米颗粒复合制备成薄膜，荧光光谱、理论模拟以及光电性能测试表明，NaYF4:Yb3+,Ho3+,Fe3+@SiO2@Au纳米粒子的引入可以将红外波段的太阳光转换为绿光并被合适禁带宽度的CdS和CdSe量子点吸收。Au壳与TiO2的界面可以产生明显的表面等离子体共振效应，有效提高TiO2不同尺寸的纳米颗粒薄膜的电子抽取与分离效率。中间层的二氧化硅可以明显提高光子的散射能力实现光的二次利用。Au壳还可以改善TiO2不同尺寸的纳米颗粒薄膜的电子传输性能。在本项目支持下发表SCI论文17篇，获得授权发明专利1项。在本项目进行过程中，共培养了具有独立工作能力的研究生10名，4次参加各种国内外相关的学术会议, 做邀请报告3次，口头报告1次。