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基于摩擦电微等离子体的ZnO纳米线表面钝化及高性能紫外光探测器
军工资源网    2019-11-18 09:54:39    文字:【】【】【

引言

等离子体技术是对半导体材料进行表面钝化和提高器件性能的常用方法。然而,传统的等离子体发生器不仅价格昂贵、操作复杂,而且较难与其他测量设备集成在一起工作,因此,利用现有的技术手段对半导体材料表面钝化仍然具有挑战性。此外,随着材料研究的微型化,基于等离子体技术演变而来的微等离子体已经成为国际上低温等离子体研究的热门课题之一。2018年,王中林院士领衔的团队将等离子体与摩擦纳米发电机结合起来,利用发电机高压输出的特点,提出了摩擦电微等离子体的概念。这种新型的摩擦电微等离子体技术对于半导体界面的改性提供了可能。

成果简介

近日,河南大学程纲教授详细报道了摩擦纳米电发电机的脉冲式高电压驱动的微等离子体对ZnO纳米线表面氧空位钝化的最新进展。结果表明,通过调控微等离子体表面钝化时间,氧化锌纳米线上的氧空位逐渐被微等离子体钝化。微等离子体钝化氧化锌纳米线中的氧空位后,纳米线的内阻显著提高。与未通过微等离子体钝化的ZnO纳米线紫外光探测器相比,其开关比、增益和带宽乘积以及恢复速度分别提高了254、111和2651倍。同时,作者讨论了微等离子体调控氧化锌纳米线表面氧空位和改善其紫外传感性能的机理。研究成果“Tuning Oxygen Vacancies and Improving UV Sensing of ZnO Nanowire by Micro-Plasma Powered by a Triboelectric Nanogenerator” 在国际著名刊物Nano Energy (IF=15.548)上发表。博士生杨锋为论文的第一作者,程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。本工作得到国家自然科学基金委、河南省科技厅和河南大学的经费支持。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104210

图文解读

图一、钝化系统及输出特性表征

   

a基于摩擦纳米发电机的表面钝化系统示意图;b摩擦纳米发电机的V-T曲线;c输出电压(电流)随负载变化的曲线;d微等离子体表面钝化过程中的放电电流曲线。

图二、钝化前后微区荧光表征

a微等离子体钝化系统集成微区荧光测量示意图;b单根ZnO纳米线在微等离子体钝化前后的微区荧光光谱。

图三、钝化时间的影响

a微等离子体表面钝化前后的I-V曲线;b归一化的I-V曲线。

图四、钝化前后紫外光响应特性

a-c微等离子体表面钝化前单根ZnO纳米线的光电流曲线及光开关曲线;d-f微等离子体表面钝化后单根ZnO纳米线的光电流曲线及光开关曲线。

图五、钝化前后机理分析

a-d 钝化前单根ZnO纳米线的能带图;e-h钝化后单根ZnO纳米线的能带图。

小结

摩擦纳米发电机构造简单,价格低廉,操作方便,将摩擦纳米发电机的微等离子体技术集成到器件系统中,钝化表面缺陷,提高器件性能,在物联网时代发展智能化、多功能传感器网络具有潜在的应用前景。

通讯作者简介

程纲教授,河南大学特种功能材料教育部重点实验室教授。2008年获得吉林大学博士学位。2006-2007年,香港中文大研究助理。2013-2016年,美国佐治亚理工学院访问学者,合作导师:王中林院士。2015年获得国家优秀青年基金。程教授致力于借助纳米结构所具有的特异性能,以“发展新型高性能光电纳米器件”为目标导向。通过设计构筑特定的纳米结构,揭示并进而调控纳米结构下的特殊物性,发展了多种高性能纳米器件。在纳米结构的构筑、表界面光电特性的表征和调控、自驱动光电纳米器件方面开展了系统的研究工作。迄今为止,程教授已发表SCI论文50余篇,引用超过1200次。

杜祖亮教授,河南大学特种功能材料教育部重点实验室主任,中原学者。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队牵头人,中国有序分子膜专业委员会副主任,教育部新世纪优秀人才,享受政府特殊津贴专家,河南省优秀专家,河南省特聘教授,河南省跨世纪学术和技术带头人。主持完成国家重大基础研究973前期专项、国家自然科学基金重大纳米研究计划、国家自然科学基金面上项目、教育部高校科技创新工程重大项目等国家级科研项目10余项;河南省创新人才项目、河南省杰出青年基金项目等省部级项目10余项。获河南省科学技术进步二等奖(自然科学类)2项;发表SCI学术论文200余篇;书(章节)2部;鉴定成果7项,发明专利24件(已授权14件)。主要从事高效能光电纳米结构材料与器件研究,在纳米结构材料的制备、组装、器件构筑及其光电性能等方面,形成了较系统的研究工作。结合分子组装(化学法)和纳米压印技术(物理法),建立了独具特色的纳米结构材料构筑技术,实现了纳米结构的大面积低成本制备;搭建了三类特色研究平台,实现了微纳区的光电测量。在国际上率先建立了双模板仿生矿化材料合成新方法;建立了低维半导体纳米结构受控表面态的表面势垒物理模型,研制了基于表面肖特基势垒的光电纳米器件;发现并阐明了微米/纳米有序结构的光电增强现象,为发展高效能薄膜太阳能电池和量子点发光二极管(QLED)开辟了新途径。

本文由河南大学程纲团队供稿。

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