【摘 要】
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紫外光电探测器被广泛应用于火灾预警、环境监测等众多领域。常规紫外光电探测器需外部电源提供电力才可工作,近年来发展的自驱动器件无需外部供能便能工作,是构建低能耗和环境友好型光电系统和物联网的理想选择,成为当前的研究热点。然而,高性能的自驱动紫外光探测器仍然缺乏。本文通过理论和实验研究半导体/电介质界面的电荷转移性质,发展了一种电介质界面内建静电场和传统半导体结型器件耦合的高性能新型自驱动紫外光电探测
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紫外光电探测器被广泛应用于火灾预警、环境监测等众多领域。常规紫外光电探测器需外部电源提供电力才可工作,近年来发展的自驱动器件无需外部供能便能工作,是构建低能耗和环境友好型光电系统和物联网的理想选择,成为当前的研究热点。然而,高性能的自驱动紫外光探测器仍然缺乏。本文通过理论和实验研究半导体/电介质界面的电荷转移性质,发展了一种电介质界面内建静电场和传统半导体结型器件耦合的高性能新型自驱动紫外光电探测器。本文主要研究内容及结果如下:1、基于第一性原理与分子动力学模拟计算,定量分析了金红石型二氧化钛（TiO2）与聚四氟乙烯（PTFE）分子间的电荷转移性质,发现TiO2和PTFE分子相距2-4（?）范围时存在一定的电荷转移,在2（?）处,长度约为12×4（?）的PTFE分子获得0.509484e(e=1.6×10-19C)的电荷,而TiO2分子失去相同数量的电荷。其次,基于接触起电和静电感应耦合效应,以摩擦纳米发电机（TENG）作为探针,研究了由TiO2和PTFE组成的TENG的电学输出性质,实验结果表明在TiO2与PTFE的接触界面,PTFE表面带负电,TiO2表面带正电,接触时二者之间发生电荷转移。此外,还比较分析了TiO2与聚二甲基硅氧烷（PDMS）之间的电荷转移性质,发现与TiO2/PTFE组成的TENG相比,TiO2/PDMS组成的TENG的具有相似的性质但输出低约10倍,说明电介质材料的电负性是影响接触界面电荷转移量大小的直接因素。2、基于界面间的电荷转移性质,利用PTFE表面的静电荷形成内建静电场,发展高性能的自驱动光电探测器。设计并制备了ITO/TiO2/PTFE/Cu垂直结构的自驱动异质结紫外光电探测器。通过改善制备工艺、优化结构参数,系统的研究了介电层对于ITO-TiO2异质结光电探测性能的调控作用。研究发现,PTFE层在器件中起到双重作用:一是作为高阻层,降低器件在零偏压下的暗电流,提高器件的信噪比;二是作为驻极体为器件提供一个稳定的内建静电场,与ITO-TiO2结区的内建电场共同作用,加快光生载流子的扩散和漂移,产生增强型的光伏效应,提高光电探测性能。研究结果表明,在零偏压下,PTFE增强的器件对365 nm紫外光的响应度高达76.87m A/W,比检测率为4.79×1012Jones,外量子效率达到26.48%,同时还拥有7.44 ms和3.75 ms的快速上升和下降时间。与没有PTFE层的传统ITO-TiO2异质结器件相比,静电势增强的自驱动异质结紫外光电探测器的光响应提高了442倍,光暗比提高了8.40×105倍,上升时间和衰退时间分别提高了111和267倍。此外,该器件还拥有优异的探测稳定性和温度稳定性,在室温至70摄氏度范围内的探测性能保持不变,室温下无封装在室内保存60天以上探测性能不变。最后,系统讨论了不同材料,不同厚度介电层对探测性能的影响。3、基于静电势增强的光伏效应,通过对介电层外加极化场的方法和构筑TiO2薄膜表面微结构的方法,进一步提高自驱动光电探测性能。制备了可对PTFE进行极化和具有表面微结构的的自驱动紫外光探测器。研究结果表明,在零偏压下,PTFE极化的器件最高光响应度和外量子效率分别达到150 m A/W和49%,而经表面微结构处理的器件光响应度提高到186.2m A/W,外量子效应达到71%,响应速度则分别达到1.06 ms/0.36 ms（上升时间）和0.92 ms/0.52 ms（下降时间）,成功实现了静电势增强效应的有效调控。本文发展的静电势增强的紫外光电探测器件具有自驱动探测性能高,温度稳定好、易制作和环境友好的优点,有望在未来激发更多的应用。
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