河南大學程綱在Nano Energy上報告基于表面離子調控的ZnO納米線快速紫外光探測器

【引言】

ZnO作為一種性能優異的光電材料，在過去的半個世紀受到了世界各國研究人員的廣泛關注。隨著納米科技的發展，低維ZnO納米結構作為構筑光電器件的基本單元吸引了大家的研究興趣。作為電子定向傳輸的最小維度，一維ZnO納米線具有大的比表面積和表面活性，表面態在調控器件性能方面起到了重要的作用。由于在紫外光響應方面優異的光電性能，基于ZnO納米線的紫外光探測器得到了大家的深入研究。然而，由于ZnO的持續光電導效應及表面氣體分子吸附的高靈敏性，ZnO納米線紫外光探測器緩慢的光電流回復時間限制了其在實際中的應用。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授報道了一種新的“表面離子柵”調控技術。該利用摩擦納米發電機誘導的氣體放電產生的電子和氧負離子對ZnO肖特基勢壘的快速調控特性，發展了一種新型的“表面離子柵”調控技術。該技術利用獨立層結構的摩擦納米發電機誘導的氣體放電產生電子和氧負離子，通過有效調控表面態，實現了對Ag/ZnO納米線肖特基勢壘的高度和電學傳輸特性的調控。不同氣氛下的測試結果表明，放電產生的氧負離子在表面的吸附以及放電產生的電子被表面缺陷捕獲所形成的表面局域負電荷，是表面離子柵調控表面態的主要途徑。在調控中，表面形成的表面局域電荷起到與FET的柵極電壓類似的作用，因此，將該方法叫做“表面離子柵”調控技術。

利用表面離子柵調控技術，使ZnO納米線肖特基勢壘紫外光檢測的回復時間從87 s降低到0.3 s，成為在空氣、氧氣、氮氣等不同的環境中實現快速紫外光檢測的普適方法。本文所提出的表面離子柵調控技術，可以實時、原位地調控納米線的表面態，這為研究表面態產生和弛豫的動態過程，發展高性能光電納米器件，提供了新的思路，具有廣闊的應用前景。

相關成果以“The high-speed ultraviolet photodetector of ZnO nanowire Schottky barrier based on the triboelectric-nanogenerator-powered surface-ionic-gate”為題發表在國際著名期刊 Nano Energy上。楊鋒博士為論文的第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖一 基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的表面離子柵調控技術示意圖

（a）基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的表面離子柵調控技術示意圖。（b）負電暈放電離子運動示意圖。（c）摩擦納米發電機誘導的氣體放電的電流時間曲線及（d）轉移電荷量曲線。

圖二表面離子柵對ZnO納米線在不同氣氛中的調控特性

圖2（a）ZnO納米線肖特基勢壘器件在暗態下的電流-電壓曲線，內嵌圖片為ZnO納米線的FESEM圖像；表面離子柵調控的ZnO納米線在空氣中（b）、氧氣中（c）及氮氣中（d）的電流-時間特性。

圖三表面離子柵調控的Ag/ZnO納米線界面肖特基勢壘結構及能帶示意圖

圖3 表面離子柵調控前的Ag/ZnO納米線界面肖特基勢壘結構（a）及（b）能帶示意圖；表面離子柵調控后的Ag/ZnO納米線界面肖特基勢壘結構（c）及能帶（d）示意圖。

圖四 ZnO納米線的光響應曲線及在表面離子柵調控下的光電流開關曲線

圖4 ZnO納米線器件在暗態和紫外光照下的電流-電壓曲線（a）及不同氣氛下的光電流開關曲線（b）；空氣中（c）及純氧下（d）表面離子柵調控的ZnO納米線器件時間分辨的的光電流開關曲線。

圖五ZnO納米線在氮氣中的光響應特性及表面離子柵調控特性

圖5 ZnO納米線器件在氮氣中的紫外光電流-電壓（a）曲線及（b）多周期光電流開關曲線；（c）ZnO納米線器件分別在空氣和氮氣中的單周期的光電流開關曲線；（d）氮氣中表面離子柵調控的ZnO納米線時間分辨的光電流開關開關曲線。

圖六表面離子柵調控的ZnO納米線快速紫外光檢測器的工作機制

圖6不同狀態下器件的能帶示意圖。（a）ZnO納米線器件在光照下的平帶結構；（b）關閉光源后電子自然轉移形成的帶彎；（c）表面態填充表面離子柵產生的表面局域離子能帶結構，由于瞬間完成，并沒有產生帶彎；（d）表面離子柵調控后耗盡電子引起的帶彎。

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本文由河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授團隊供稿，材料人編輯部編輯

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