背景介紹

　　ZnO是一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有相對(duì)較高的紫外吸收系數(shù)和電子遷移率，已成為紫外探測(cè)器的理想材料。同時(shí)，ZnO具備很好的抗輻射能力，能夠在各種環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定工作。

　　但是，ZnO表面存在著大量懸掛鍵和表面態(tài)等缺陷。在光照時(shí)，表面缺陷作為陷阱態(tài)會(huì)捕獲光生載流子，這會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，增加探測(cè)器的上升下降時(shí)間，極大地阻礙了ZnO光電探測(cè)器的性能。

　　通過(guò)量子點(diǎn)對(duì)ZnO進(jìn)行表面修飾是提高探測(cè)器性能的重要方法。CdSe量子點(diǎn)具有帶隙可調(diào)、電子輸運(yùn)可控、能帶結(jié)構(gòu)匹配和制備工藝簡(jiǎn)單等特性，采用CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO光電探測(cè)器，對(duì)于提高光電探測(cè)器的響應(yīng)性能具有重要意義。

　　創(chuàng)新工作

　　長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王登魁副研究員團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)和快速熱注入法分別合成ZnO微米線(xiàn)和CdSe量子點(diǎn)，并將CdSe量子點(diǎn)修飾在ZnO微米線(xiàn)表面以制備CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)紫外光電探測(cè)器。通過(guò)CdSe量子點(diǎn)的修飾，在ZnO微米線(xiàn)與表面修飾的CdSe量子點(diǎn)之間構(gòu)成II型異質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖1)。

　　異質(zhì)結(jié)的界面處存在內(nèi)建電場(chǎng)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向ZnO微米線(xiàn)表面遷移，空穴向CdSe量子點(diǎn)遷移，加快了光生載流子的分離，進(jìn)而促使探測(cè)器的響應(yīng)性能得到顯著提高。

　　圖1 CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)得，CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)紫外光電探測(cè)器的最大響應(yīng)度為10.5 mA/W，較ZnO 微米線(xiàn)測(cè)器響應(yīng)度提高了6倍。同時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間也大幅縮短，上升和下降時(shí)間分別縮短了87.7%和76.2%。圖2為CdSe量子點(diǎn)修飾前后探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比圖。

　　圖2 CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)前后探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。(a)ZnO微米線(xiàn)光電探測(cè)的響應(yīng)時(shí)間;(b)CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間

　　為了研究退火對(duì)CdSe量子點(diǎn)修飾的ZnO微米線(xiàn)探測(cè)器光電性能的影響，將CdSe量子點(diǎn)修飾的ZnO微米線(xiàn)在Ar氣氛下600 ℃退火30 min。圖3為退火前后CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO微米線(xiàn)光電探測(cè)器的光暗電流隨溫度變化的曲線(xiàn)圖。

　　圖3 退火前后CdSe量子點(diǎn)修飾ZnO 微米線(xiàn)光電探測(cè)器的光和暗電流隨溫度變化的曲線(xiàn)圖

　　退火前，隨著溫度升高，ZnO表面吸附的氧分子獲得能量從表面解吸并釋放自由電子，自由電子濃度的提高促使光電流逐漸上升。退火處理可顯著改善ZnO微米線(xiàn)的結(jié)晶質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)電子空穴對(duì)的轉(zhuǎn)移，使光電流顯著提高。然而，隨著溫度的繼續(xù)升高，光電流因聲子散射的不斷加劇而緩慢下降。

　　因此，通過(guò)退火處理可以顯著改善光電探測(cè)器的光電響應(yīng)性能及光響應(yīng)速度，且在200 K時(shí)，探測(cè)器獲得最佳的光電性能。

　　總結(jié)與展望

　　課題組通過(guò)CdSe量子點(diǎn)對(duì)ZnO微米線(xiàn)表面修飾，顯著提高了ZnO基光電探測(cè)器的響應(yīng)性能。利用II型異質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面鈍化的工作原理，探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間得到大幅縮短，證明了CdSe量子點(diǎn)的修飾對(duì)于提高ZnO基光電探測(cè)器的性能具有重要作用。

　　CdSe量子點(diǎn)的量子效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)能帶的調(diào)制及在可見(jiàn)光不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)，基于此，課題組下一步預(yù)計(jì)將制備的不同尺寸的CdSe量子點(diǎn)與ZnO微米線(xiàn)相結(jié)合，利用II異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的紫外-可見(jiàn)多波長(zhǎng)光電探測(cè)性能。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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