TiO2多級納米陣列結(jié)構(gòu)的制備及其在光電化學(xué)紫外探測器中的應(yīng)用.pdf

1、紫外光在我們的生產(chǎn)生活中扮演著重要的作用，同時紫外光也會對人類的身體造成傷害，因此對紫外光進(jìn)行探測具有重要的意義。近年來，紫外光探測已經(jīng)在化學(xué)/生物分析、環(huán)境監(jiān)測、火焰探測、天文、遠(yuǎn)程控制和未來存儲器件等民用和軍用領(lǐng)域受到了越來越廣泛的關(guān)注?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的紫外探測器由于響應(yīng)時間長、環(huán)境依賴特性以及需要外加電源等問題而限制了其應(yīng)用。另外，傳統(tǒng)的紫外探測器的制造涉及到摻雜、p-n結(jié)、歐姆結(jié)、肖特基結(jié)制作等諸多工藝問題，導(dǎo)致其制造過程較為復(fù)

2、雜，對材料要求高，生產(chǎn)成本高。這些問題嚴(yán)重限制了傳統(tǒng)紫外探測器的發(fā)展，并導(dǎo)致紫外探測器只能在一些特殊行業(yè)里應(yīng)用。光電化學(xué)紫外探測器是一種新型的液結(jié)光伏型紫外探測器，其以簡單的制作工藝、低廉的生產(chǎn)成本和可觀的探測性能逐漸引起了研究者們的注意。高性能光電化學(xué)紫外探測器要求光陽極具有高的紫外光吸收效率、連續(xù)高效的載流子分離和快速的電子傳輸。目前光電化學(xué)紫外探測器的研究尚處于初步階段，工作機理尚不完全明確，探測器的響應(yīng)性能，如響應(yīng)度、響應(yīng)譜帶、

3、響應(yīng)速度以及材料合成工藝等還有待提高。針對以上問題，本論文以寬帶隙半導(dǎo)體 TiO2為主要材料進(jìn)行了以下幾方面的研究：
　　TiO2是光電化學(xué)紫外探測器中最具應(yīng)用潛力的材料。由一維 TiO2納米結(jié)構(gòu)組成的納米陣列可以提供優(yōu)異的載流子輸運性能。我們通過反復(fù)試驗，選擇了合適的前驅(qū)物與反應(yīng)溶液，通過水熱法分別制備出了具有銳鈦礦和金紅石兩種晶型的TiO2納米陣列結(jié)構(gòu)，并通過對各項實驗條件的摸索與分析，實現(xiàn)了TiO2多種晶型、多種形貌結(jié)構(gòu)的納

4、米線陣列的可控生長。第一，我們通過溫和的一步水熱法直接在FTO玻璃上合成了銳鈦礦鏈狀TiO2多級納米陣列，該多級結(jié)構(gòu)由中心納米線骨架、外延的納米樹枝和覆蓋在結(jié)構(gòu)外部的稠密納米片組成。通過這種簡單溫和的方法得到的多級納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了可觀的紫外探測性能，響應(yīng)度達(dá)到0.11 A W-1，響應(yīng)時間為20-40 ms，對光強響應(yīng)靈敏度斜率為0.005。第二，我們成功制備了高質(zhì)量的單晶金紅石TiO2納米線陣列，其長徑比達(dá)到150，納米線面密度達(dá)到90

5、-110根/μm2，且具有非常好的均一性和分散性。
　　為了進(jìn)一步提高光陽極的光吸收性能和薄膜的比表面積，我們在金紅石單晶TiO2納米線陣列的基礎(chǔ)上成功合成了樹狀多級納米結(jié)構(gòu)，高密度的納米線和稠密的納米樹枝形成了密實的薄膜，這樣的結(jié)構(gòu)提供了良好的光散射性能和非常大的比表面積?；跇錉?TiO2納米線陣列的光電化學(xué)紫外探測器的響應(yīng)電流密度是單純 TiO2納米線和 TiO2納米顆粒薄膜的176％和46%，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了14.5%，

6、上升時間和衰減時間為5.3，29.8和5.9 ms，開關(guān)比為1903，對光強響應(yīng)靈敏度斜率達(dá)到0.021。
　　合成具有三維高效電子傳輸通道的納米結(jié)構(gòu)是制備快速響應(yīng)光電化學(xué)紫外探測器的有效途徑。在本部分中，我們制備了基于TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)多級納米陣列的紫外探測器。三維的TiO2/ZnO多級納米結(jié)構(gòu)由高長徑比的TiO2納米線骨架和外部的ZnO納米片導(dǎo)電通道構(gòu)成。得益于ZnO納米片提供的光生電子傳輸通道，基于TiO2/ZnO多級納

7、米陣列結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)紫外探測器顯示出了非常高的靈敏度和響應(yīng)速度。探測器的上升時間和衰減時間由15.5，32.5和8.0 ms減少至5.5，13.5和4.0 ms。
　　傳統(tǒng)的三明治器件結(jié)構(gòu)使用TCO導(dǎo)電薄膜作為襯底，該類薄膜對紫外光的濾過作用嚴(yán)重限制了光電化學(xué)紫外探測器的性能。我們通過電紡絲技術(shù)得到了鏤空的聚合物納米線網(wǎng)格，然后以其為模板通過磁控濺射法制備了Ag納米線網(wǎng)格。最后，我們將 Ag納米線網(wǎng)格轉(zhuǎn)移到石英玻璃襯底上得到了紫外