納米TiO2-有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體紫外探測材料.pdf

1、紫外探測技術(shù)在軍事、通訊、環(huán)境監(jiān)測、空間科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前.關(guān)于紫外探測器核心材料的研究大多集中在無機(jī)寬禁帶半導(dǎo)體。無機(jī)/有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料綜合了無機(jī)半導(dǎo)體材料與有機(jī)半導(dǎo)體材料的優(yōu)點，具有高光敏性、高響應(yīng)速度、高穩(wěn)定性，更容易實現(xiàn)大面積、低成本、寬視場的光探測功能，因而其在紫外探測領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸受到關(guān)注。本文以能帶工程理論為基礎(chǔ)，以具有高遷移率和高電子注入效率的TiO2為無機(jī)受體組分，選擇能帶結(jié)構(gòu)與之匹配的有機(jī)給體基元與之

2、復(fù)合，并結(jié)合層-層復(fù)合、原位復(fù)合、納米復(fù)合、有序復(fù)合等新技術(shù)，通過對復(fù)合材料能帶結(jié)構(gòu)、微觀形貌和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實現(xiàn)光生激子在復(fù)合界面處的有效分離和傳輸，獲得在紫外光區(qū)域具有明顯響應(yīng)的TiO2/有機(jī)復(fù)合光電功能材料，進(jìn)而探索其用于紫外探測的可行性。
　　 通過層-層復(fù)合的方法制備了TiO2/N，N'-雙(3-甲基苯基)-N,N'-二苯基聯(lián)苯胺(MTPD)雙層復(fù)合紫外光導(dǎo)材料。發(fā)現(xiàn)TiO2/MTPD復(fù)合光導(dǎo)材料的光譜吸收在420

3、nm以下，且最大吸收位置由MTPD時的392nm藍(lán)移至380nm，表明其帶隙變寬。在本實驗范圍內(nèi)，光導(dǎo)響應(yīng)速度與光強(qiáng)呈線性關(guān)系，光敏性比單一組分材料提高了1倍，且TiO2層的厚度越大，光敏性越好。表面光電壓譜(SPS)的測試結(jié)果表明MTPD向TiO2發(fā)生了有效的光致電荷轉(zhuǎn)移，這可能是復(fù)合材料光敏性提高的主要原因。這一研究證實了無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料用于紫外探測的可能性。
　　 采用原位復(fù)合技術(shù)，通過親核反應(yīng)制備了TiO2原位接枝改性

4、的聚乙烯基咔唑(PVK)復(fù)合半導(dǎo)體材料。發(fā)現(xiàn)TiO2/PVK復(fù)合半導(dǎo)體材料的HOMO和LUMO能級較純PVK時均有所升高；熱分析的結(jié)果表明，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性也有所提高；當(dāng)TiO2的含量為0.71％時，紫外光敏性較純PVK提高近1倍。
　　 采用納米復(fù)合技術(shù)，通過簡單的低溫濕化學(xué)方法制備了TiO2納米粒子/聚9,9-二己基芴(PFH)復(fù)合半導(dǎo)體材料，系統(tǒng)研究了TiO2納米粒子含量對復(fù)合材料微觀形貌以及光學(xué)性能的影響。將此復(fù)合材料

5、作為活性層制備了紫外探測原型器件，發(fā)現(xiàn)該器件具有明顯的光伏特性，并研究了器件的I-V特性、光譜響應(yīng)、時間響應(yīng)、偏壓依賴性等，該器件在3.2 mW/cm2的紫外光或0.7mW/cm2365nm的單色光照射下，其響應(yīng)時間小于200ms，紫外光暗電流比可達(dá)3個數(shù)量級，零偏壓下光電流響應(yīng)達(dá)54.6mA/W(365nm單色光)，接近傳統(tǒng)無機(jī)基GaN、SiC紫外光探測器的水平。光電流在一定的紫外光強(qiáng)度范圍內(nèi)與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。使用油酸作為表面活性劑可

6、以明顯改善TiO2納米粒子的分散情況及其與PFH間的相容性，但是同時也會引起光暗電流的下降。最后還討論了熱處理對器件性能的影響。
　　 為了實現(xiàn)無機(jī)材料與有機(jī)材料的有序復(fù)合以增大復(fù)合界面面積、提供載流子定向傳輸通道從而減小載流子復(fù)合幾率，制備了與透明FTO電極直接相連的TiO2納米棒陣列，系統(tǒng)研究了陣列的生長機(jī)理以及調(diào)控手段。并以此為模板通過旋涂的方法制得了TiO2/PFH有序本體異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料，并以此作為活性層制作了紫外探

7、測原型器件，發(fā)現(xiàn)該器件在3.2mW/cm2的紫外光照射下光暗電流比接近3個數(shù)量級，光照后電流上升時間及光滅后衰減時間均小于200ms，可重復(fù)多次而不發(fā)生變化。
　　 本論文的研究，是首次對TiO2/有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料應(yīng)用于紫外光探測領(lǐng)域的探索研究，在相關(guān)理論與實驗兩個方面作了有益的嘗試。研究結(jié)果表明，將無機(jī)/有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料應(yīng)用于紫外光探測的研究，是一種新的有效途徑，為無機(jī)/有機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體紫外探測材料與器件的深入研究，提供了有