1 太原学院 材料与化学工程系，山西太原030032
2 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001
为了获得具有多波段响应的ZnO基宽光谱光电探测器，将ZnO与其它窄带隙半导体耦合构建异质结，并基于此制备了光电探测器。本文采用水热法结合连续离子层吸附反应法在FTO衬底上成功制备了ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结材料。通过扫描电子显微镜和能谱仪表征了ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结的表面形貌和元素组成。结果表明，Bi2S3量子点均匀且致密地附着在整个ZnO纳米棒上。此外，基于该ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结制备的探测器能够在无外加偏压条件下工作，即具有自供能特性。与ZnO纳米棒探测器相比，ZnO纳米棒/Bi2S3量子点探测器在紫外光照射下的光电流增大了0.065 mA，这主要是因为两者形成的异质结能够有效抑制光生载流子的复合。此外，ZnO纳米棒/Bi2S3量子点探测器对可见光也具有优异的探测能力，其对波长为470 nm的蓝光和530 nm的绿光的探测均表现出良好的循环稳定性。
异质结 紫外探测 可见光探测 ZnO纳米棒 Bi2S3量子点 heterojunction UV photodetection visible light photodetection ZnO nanorods Bi2S3 quantum dots 光学 精密工程
2022, 30(16): 1915
1 福州大学至诚学院，福州 350002
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室，福州 350108
3 福州大学 物理与信息工程学院，福州 350108
针对传统图形化工艺复杂且图形未经精细设计，导致电场分布不均匀的问题，通过ANSYS Maxwell 16.0仿真软件研究电子运动轨迹规律，提出图形化发射体阵列有效发射尺寸和最佳阵列间距阴极结构的新思路，改善场发射性能。仿真结果表明，当阵列间距为200 μm时，图形化阵列中心区域的电场分布平坦，阵列四周突变上升。这是由于阵列边缘部分相比于阵列中心区域部分更表现出针尖的特性，当阵列间距越小时，单元阵列之间的边缘区域场强叠加，出现场强叠加区。当阵列间距逐渐增大时，场强边缘叠加效应削弱，同时电场屏蔽效应也削弱。因此，阵列边长越大，为400 μm时，阴极表面场强趋于平坦，场强边缘叠加效应和电场屏蔽效应达到平衡。而阵列间距增大到600 μm时，会导致单元阵列平面中心位置相对较远，单元阵列场发射相对独立，电子发射出现空档区域。因此，阵列间距选取适中数值时，阵列边缘场强叠加效应削弱，四周电场也不会出现盲区，电场基本达到均匀分布。根据仿真结果，通过喷墨打印图形化种子层实现图案化发射体阵列精准定位，再水热生长ZnO纳米棒阴极阵列。场致发射实验结果表明，随着间距的增加，开启场强Eon从200 μm时的2.95 V/μm降低到400 μm时的0.57 V/μm，并进一步变为600 μm时的2.26 V/μm；而场增强因子β随阵列间距从200 μm增加到600 μm，先增大后减小。这与仿真结果吻合，即在ZnO阴极阵列有效发射尺寸为200 μm情况下，当阵列间距为400 μm时，场发射性能最优，其开启场强为0.57 V/μm，场发射增强因子为32 179。通过调控图形化阵列电子发射轨迹，从而减小场叠加和场屏蔽效应可以改善场发射性能。结合图形化设计和喷墨打印的高效性，有望实现高性能场致发射电子源。
电子源 场致发射 喷墨打印 ZnO纳米棒 图形化阵列 水热生长 Electron source Field emission Inkjet printing ZnO nanorods Patterned array Hydrothermal growth
河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471000
采用溶胶-凝胶法制备得到不同浓度Bi3+掺杂ZnO籽晶层, 又进一步采用水热法合成了六方纤锌矿结构的ZnO纳米棒。通过X线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、光致发光(PL)谱等测试手段对样品结构、形貌和光学性能进行测试和表征。结果表明, 在不同浓度Bi掺杂ZnO籽晶层上生长纳米ZnO薄膜, ZnO的晶体结构没有改变, 均为六方纤锌矿结构,且(002)晶面的峰强明显高于其他晶面的峰强值; 在FESEM电镜观察下发现, 不同掺杂浓度Bi掺杂ZnO籽晶层上水热生长的纳米ZnO薄膜均为纳米棒状。PL光谱显示随着Bi掺杂量增加, 样品的近紫外发射峰和晶格缺陷峰等峰值明显增大,且有红移现象产生。其中禁带宽度随着Bi掺杂量的增大而减小, 说明Bi3+可以有效地调节ZnO的禁带宽度。
Bi3+掺杂 ZnO纳米棒 溶胶-凝胶法 水热法 光学性质 Bi3+ doping ZnO nanorods Sol-Gel method hydrothermal method optical property
1 太原学院 理化系, 山西 太原 030032
2 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
3 聊城大学 物理科学与信息工程学院 山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东 聊城 252000
本文采用水热法在ITO衬底上制备了ZnO纳米棒阵列, 然后用化学水浴沉积法在纳米棒上制备CdS量子点。分别利用SEM和XRD对样品形貌和晶体结构进行表征。结果表明, 球状的CdS量子点均匀地包覆在ZnO纳米棒表面, 且结晶质量较好。基于ZnO纳米棒和ZnO纳米棒/CdS量子点制备的探测器对紫外光都具有很好的响应, 然而与ZnO纳米棒探测器相比, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器在相同条件下的光电流提高了7倍, 为052 mA。此外, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器对绿光和蓝光也表现出了很好的响应。
ZnO纳米棒 CdS量子点 异质结构 紫外探测 可见光探测 ZnO nanorods CdS quantum dots heterostructure UV photodetection visible light photodetection
1 福建师范大学 协和学院， 福州 350108
2 厦门理工学院 福建省功能材料及应用重点实验室，福建 厦门 361024
3 河南师范大学 物理与材料科学学院 河南省光伏材料重点实验室， 河南 新乡 453007
采用简化的种子层制备工艺在ITO基底上制备了ZnO种子层，并使用化学溶液沉积法制备了高度取向的ZnO纳米棒阵列。采用XRD和SEM对ZnO纳米棒的结构和形貌进行表征，并对样品的光学性能进行了测试。测试结果表明，所制备的ZnO纳米棒为c轴择优取向的六角纤锌矿结构，直径为66~122nm可控，且排列紧密，形貌规整。光学性能测试结果表明，吸收光谱在375nm附近表现出强烈的紫外吸收边是由于禁带边吸收引起的；反射光谱具有一定的周期振荡性，可用于薄膜厚度的估算；光致发光谱在378nm附近有很强的紫外发射峰；增大生长液浓度和高温退火可降低缺陷发光，改善结晶质量。
ZnO纳米棒 吸收光谱 反射光谱 光致发光谱 ZnO nanorods absorption spectrum reflection spectrum photoluminescence spectrum
1 贵州民族大学 1. 机械电子工程学院
2 2. 材料工程学院, 贵阳 550025
以不同退火温度处理后的ZnO籽晶层为基底, 采用水热法生长了ZnO纳米棒阵列。对制备得到的ZnO纳米棒阵列的形貌、结构以及发光特性进行了表征, 分析了籽晶层的退火温度对ZnO纳米棒阵列的形貌及发光性质的影响, 发现通过调节籽晶层的退火温度, 可以控制ZnO纳米棒的大小及密度, 并发现在经400℃退火后的籽晶层上生长的ZnO纳米棒阵列形貌最佳, 发光性能最优。
籽晶层 退火温度 ZnO纳米棒 水热法 脉冲激光沉积 seed layer annealing temperature ZnO nanorods hydrothermal method PLD
1 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
2 太原学院 物理系， 山西 太原 030032
通过水热法在ITO衬底上成功合成了ZnO纳米棒，并以ITO为电极制备了ZnO纳米棒紫外探测器件。在室温下测试了所制备器件对紫外光的响应性能。测试结果表明，ZnO纳米棒对紫外光有很好的光响应，在0 V附近，ZnO纳米棒紫外探测器的灵敏度能达到1 500。此外，通过循环测试可以观测到ZnO纳米棒紫外探测器具有良好的重复性和稳定性。
ZnO纳米棒 水热法 紫外探测器 ZnO nanorods hydrothermal UV detector
1 太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学 新材料工程技术研究中心, 山西 太原 030024
研究了在湿法腐蚀GaN衬底上生长的ZnO纳米棒阵列的微结构和光学性能。相比于未经腐蚀及腐蚀5 min、10 min的GaN上生长的ZnO纳米棒阵列, 在腐蚀8 min的GaN上生长的ZnO纳米棒阵列最细密, 光学性能最好, 其相应PL光谱峰强积分比IUV/Ivis最大(70.92)。因为此时GaN衬底中的位错基本全部在表面露头, ZnO容易附着而形成更多的形核种子, 并且衬底的位错在表面的边缘有助于诱导ZnO晶体的外延生长, 所以ZnO棒更加细密, 晶体质量更高, 从而光学性能更好。
ZnO纳米棒 水热法 GaN衬底 湿法腐蚀 光学性能 ZnO nanorods hydrothermal GaN substrate wet etching optical property
1 天津理工大学 材料物理研究所, 光电器件与显示材料教育部重点实验室, 天津市光电显示材料与器件重点实验室, 天津 300386
2 天津职业技术师范大学 理学院, 天津 300222
制备了一种具有多级存储效应的密集ZnO纳米棒阵列阻变存储器件, 借助I-V曲线和荧光光谱分析了器件的电流传导机制和阻变机制, 发现器件在不同的电阻态下分别属于欧姆传导和空间电荷限制电流(SCLC)传导机制。正向电场作用使纳米棒表面耗尽区的氧空位V++密度增大, 完善了电子传输的导电细丝通道, 器件实现了由高阻态向低阻态的转变; 在反向电压作用下, 导电通道断裂, 器件恢复到高阻态。
ZnO纳米棒 荧光光谱 氧空位 导电细丝通道 ZnO nanorods fluorescence spectra oxygen vacancies conductive paths
1 延安大学 物理与电子信息学院, 延安 716000
2 西北大学 信息科学与技术学院, 西安 710127
利用水热法制备了菊花状的氧化锌纳米棒, 并进行表征, 将纳米氧化锌掺入纳米金刚石中配制成电泳液, 超声分散后电泳沉积到钛衬底上, 再经热处理后进行场发射特性的测试.结果表明：未掺混的金刚石阴极样品的开启电场为7.3 V/μm, 在20 V/μm的电场下, 场发射电流密度为81 μA/cm2;掺混后阴极样品的场发射开启电场降低到4.7~6.0 V/μm, 在20 V/μm电场下, 场发射电流密度提高到140~158 μA/cm2.原因是纳米ZnO掺入后, 增强了涂层的电子输运能力、增加了有效发射体数目, 提高了场增强因子β, 而金刚石保证了热处理后涂层与衬底的良好键合, 形成了欧姆接触, 降低了场发射电流的热效应.场发射电流的稳定性随掺混ZnO量的增加而下降, 要兼顾场发射电流密度及其稳定性, 适量掺入ZnO可有效提高纳米金刚石的场发射性能.
表征 场发射特性 水热法 纳米金刚石 氧化锌纳米棒 掺混 键合 Characterization Field emission characteristics Hydrothermal route Nano-diamond ZnO nanorods Mixed Bonding
