河南大學程綱團隊Nano Energy：基于摩擦電微等離子體的ZnO納米線表面鈍化及高性能紫外光探測器

引言

等離子體技術是對半導體材料進行表面鈍化和提高器件性能的常用方法。然而，傳統的等離子體發生器不僅價格昂貴、操作復雜，而且較難與其他測量設備集成在一起工作，因此，利用現有的技術手段對半導體材料表面鈍化仍然具有挑戰性。此外，隨著材料研究的微型化，基于等離子體技術演變而來的微等離子體已經成為國際上低溫等離子體研究的熱門課題之一。2018年，王中林院士領銜的團隊將等離子體與摩擦納米發電機結合起來，利用發電機高壓輸出的特點，提出了摩擦電微等離子體的概念。這種新型的摩擦電微等離子體技術對于半導體界面的改性提供了可能。

成果簡介

近日，河南大學程綱教授詳細報道了摩擦納米電發電機的脈沖式高電壓驅動的微等離子體對ZnO納米線表面氧空位鈍化的最新進展。結果表明，通過調控微等離子體表面鈍化時間，氧化鋅納米線上的氧空位逐漸被微等離子體鈍化。微等離子體鈍化氧化鋅納米線中的氧空位后，納米線的內阻顯著提高。與未通過微等離子體鈍化的ZnO納米線紫外光探測器相比，其開關比、增益和帶寬乘積以及恢復速度分別提高了254、111和2651倍。同時，作者討論了微等離子體調控氧化鋅納米線表面氧空位和改善其紫外傳感性能的機理。研究成果“Tuning Oxygen Vacancies and Improving UV Sensing of ZnO Nanowire by Micro-Plasma Powered by a Triboelectric Nanogenerator” 在國際著名刊物Nano Energy (IF=15.548)上發表。博士生楊鋒為論文的第一作者，程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。本工作得到國家自然科學基金委、河南省科技廳和河南大學的經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104210

圖文解讀

圖一、鈍化系統及輸出特性表征

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a基于摩擦納米發電機的表面鈍化系統示意圖；b摩擦納米發電機的V-T曲線；c輸出電壓（電流）隨負載變化的曲線；d微等離子體表面鈍化過程中的放電電流曲線。

圖二、鈍化前后微區熒光表征

a微等離子體鈍化系統集成微區熒光測量示意圖；b單根ZnO納米線在微等離子體鈍化前后的微區熒光光譜。

圖三、鈍化時間的影響

a微等離子體表面鈍化前后的I-V曲線；b歸一化的I-V曲線。

圖四、鈍化前后紫外光響應特性

a-c微等離子體表面鈍化前單根ZnO納米線的光電流曲線及光開關曲線；d-f微等離子體表面鈍化后單根ZnO納米線的光電流曲線及光開關曲線。

圖五、鈍化前后機理分析

a-d 鈍化前單根ZnO納米線的能帶圖；e-h鈍化后單根ZnO納米線的能帶圖。

小結

摩擦納米發電機構造簡單，價格低廉，操作方便，將摩擦納米發電機的微等離子體技術集成到器件系統中，鈍化表面缺陷，提高器件性能，在物聯網時代發展智能化、多功能傳感器網絡具有潛在的應用前景。

通訊作者簡介

程綱教授，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室教授。2008年獲得吉林大學博士學位。2006-2007年，香港中文大研究助理。2013-2016年，美國佐治亞理工學院訪問學者，合作導師：王中林院士。2015年獲得國家優秀青年基金。程教授致力于借助納米結構所具有的特異性能，以“發展新型高性能光電納米器件”為目標導向。通過設計構筑特定的納米結構，揭示并進而調控納米結構下的特殊物性，發展了多種高性能納米器件。在納米結構的構筑、表界面光電特性的表征和調控、自驅動光電納米器件方面開展了系統的研究工作。迄今為止，程教授已發表SCI論文50余篇，引用超過1200次。

杜祖亮教授，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室主任，中原學者。教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊牽頭人，中國有序分子膜專業委員會副主任，教育部新世紀優秀人才，享受政府特殊津貼專家，河南省優秀專家，河南省特聘教授，河南省跨世紀學術和技術帶頭人。主持完成國家重大基礎研究973前期專項、國家自然科學基金重大納米研究計劃、國家自然科學基金面上項目、教育部高校科技創新工程重大項目等國家級科研項目10余項；河南省創新人才項目、河南省杰出青年基金項目等省部級項目10余項。獲河南省科學技術進步二等獎（自然科學類）2項；發表SCI學術論文200余篇；書（章節）2部；鑒定成果7項，發明專利24件（已授權14件）。主要從事高效能光電納米結構材料與器件研究，在納米結構材料的制備、組裝、器件構筑及其光電性能等方面，形成了較系統的研究工作。結合分子組裝（化學法）和納米壓印技術（物理法），建立了獨具特色的納米結構材料構筑技術，實現了納米結構的大面積低成本制備；搭建了三類特色研究平臺，實現了微納區的光電測量。在國際上率先建立了雙模板仿生礦化材料合成新方法；建立了低維半導體納米結構受控表面態的表面勢壘物理模型，研制了基于表面肖特基勢壘的光電納米器件；發現并闡明了微米/納米有序結構的光電增強現象，為發展高效能薄膜太陽能電池和量子點發光二極管(QLED)開辟了新途徑。

本文由河南大學程綱團隊供稿。

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