金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜材料光電性能評(píng)價(jià)的研究.pdf

1、金屬氧化物半導(dǎo)體材料由于其具有來(lái)源廣泛、性質(zhì)穩(wěn)定、性能優(yōu)異、易于合成與調(diào)控等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)、氣敏響應(yīng)、太陽(yáng)能電池、能量?jī)?chǔ)存和光催化降解有機(jī)物等領(lǐng)域中。在這些領(lǐng)域中,金屬氧化物半導(dǎo)體材料不但要與入射光交互作用,還要與其工作環(huán)境中的氣體分子進(jìn)行交互作用。多孔膜材料因具有較大的比表面積,其與環(huán)境氣體分子之間交互作用有著先天的優(yōu)勢(shì)。因此,金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜在這些領(lǐng)域中備受重視。為了能夠更好的研究材料組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系,開(kāi)

2、發(fā)性能更為優(yōu)異的材料,評(píng)價(jià)金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜的光電性能尤為重要。本文正是以此為契機(jī),提出硬件平臺(tái)與測(cè)試方式一攬子解決方案,來(lái)評(píng)價(jià)金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜的光電性能。
　　本文首先設(shè)計(jì)并制作了金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜的光電性能評(píng)價(jià)平臺(tái)。該平臺(tái)硬件系統(tǒng)由光源、環(huán)境控制、材料芯片、數(shù)據(jù)采集電路和測(cè)試腔五部分組成;軟件系統(tǒng)基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言完成。該平臺(tái)主要有高通量測(cè)試、測(cè)試環(huán)境可控、材料光電流譜測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試四大特點(diǎn)。通過(guò)本

3、平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)穩(wěn)態(tài)曲線(I-V曲線測(cè)試)、光電導(dǎo)時(shí)域曲線(σ-t曲線測(cè)試)和光電導(dǎo)頻域曲線三種測(cè)試(σ-λ曲線測(cè)試)。
　　依據(jù)導(dǎo)電模型,我們建立了描述金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜在一定環(huán)境氣氛下受光激發(fā)后的電流--電壓關(guān)系(即,光電導(dǎo)穩(wěn)態(tài)曲線測(cè)試方法)。制做了ZnO、SnO2、WO3和TiO2多孔膜材料芯片,并測(cè)試了其在暗態(tài)和紫外光條件下不同環(huán)境氣氛(干燥空氣、甲醛)中的穩(wěn)態(tài)電流電壓響應(yīng)。通過(guò)遺傳算法,結(jié)合所推導(dǎo)的公式擬合得到各個(gè)

4、材料在不同狀態(tài)下耗盡層勢(shì)壘的變化,并進(jìn)一步得到空穴利用率、耗盡層寬度的變化和耗盡層內(nèi)載流子濃度的變化等微觀參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明,可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)曲線的測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)材料的光催化活性。
　　我們通過(guò)半導(dǎo)體材料光電性能測(cè)試平臺(tái)獲得了TiO2/SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜復(fù)合體系的光電導(dǎo)時(shí)域曲線,并從中提取光電導(dǎo)幅值以及弛豫曲線特征參數(shù)。基于光電導(dǎo)賦值我們提出了適應(yīng)于光電導(dǎo)領(lǐng)域的光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE),并用此來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合材料中光生電子與空

5、穴的分離能力,而基于半導(dǎo)體光電響應(yīng)弛豫曲線獲得了復(fù)合體系中各個(gè)成分點(diǎn)的缺陷種類、密度以及能級(jí)位置,進(jìn)一步證實(shí)了IPCE數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。光電導(dǎo)時(shí)域曲線中IPCE的分析方法和弛豫曲線的分析方法較傳統(tǒng)的分析手段可以獲得更多、更準(zhǔn)確、更本質(zhì)的材料信息。
　　我們通過(guò)光電導(dǎo)譜的測(cè)試方式研究了真空退火與摻雜對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜缺陷及其光電性能的影響。研究結(jié)果表明,真空退火的制備方法可以有效降低半導(dǎo)體材料中的缺陷,使得本征光電導(dǎo)更為突出;而

6、摻雜的方式會(huì)引入特定的缺陷,使得材料在本征光電導(dǎo)響應(yīng)區(qū)間外也有一定的響應(yīng),進(jìn)而擴(kuò)展材料的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),光電導(dǎo)譜的測(cè)試方式可以原位、直接、快速和準(zhǔn)確的表征材料中缺陷對(duì)光電性能的影響。
　　我們采用半導(dǎo)體光電性能評(píng)價(jià)平臺(tái)對(duì)水分子與金屬氧化物半導(dǎo)體光電性能的交互影響進(jìn)行研究,金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜在光響應(yīng)過(guò)程中與水分子和環(huán)境中其它分子(例如可揮發(fā)有機(jī)污染物)的交互作用極大的影響了其光電導(dǎo)時(shí)域曲線。
　　通過(guò)本文的研究