一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，BFO/ZnO异质结器件由下至上依次包含底电极，BFO铁电薄膜，ZnO籽晶层，ZnO纳米线阵列，上电极，通过对BFO/ZnO异质结器件在ZnO纳米线c轴顶端施加压缩作用力使纳米线发生应变，通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结结区内载流子的分离，从而增强异质结器件的光电性能。

A Method for Improving Photoelectric Response of BFO/ZnO Heterojunction Devices

【技术实现步骤摘要】
一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法
本专利技术属于铁电半导体异质结器件领域，具体地涉及一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法。
技术介绍
基于BiFeO3(BFO)铁酸铋薄膜和ZnO纳米线形成的异质结，由于其具有潜在的铁电、压电和光电效应而被广泛研究。现有的研究已经表明利用ZnO薄膜/纳米线或与BFO薄膜形成的异质结能够增强光电效应，这是由于ZnO可与BFO接触构成异质结，在异质结的界面处产生的内建电场对光生电子空穴对的分离和输运均有贡献。但是如何更进一步提高BFO/ZnO异质结器件光电响应是本领域急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术制备了一种基于铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件，通过对BFO/ZnO异质结施加压应变调节界面能带结构以及结区内光生载流子的输运，最后达到提高异质结光电响应的目的。一种基于铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件，如图1所示，由下至上依次包含底电极，BFO铁电薄膜3，ZnO籽晶层4，ZnO纳米线阵列5，上电极6。底电极为FTO导电玻璃，包含玻璃层1和FTO层2。上电极6为ITO电极层。一种基于铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件的制备方法，其特征是，采用溶胶-凝胶旋涂法在FTO导电玻璃上制备BFO铁电薄膜3，利用磁控溅射在其上制备ZnO籽晶层4，使用水热法垂直向上生长ZnO纳米线陈列5，最后使用磁控溅射沉积ITO透明电极。ZnO纳米线阵列5中纳米线的长度为5μm-10μm，纳米线的直径160-200nm。ZnO纳米线沿c轴方向生长。ZnO纳米线的晶向和过长过短过粗或者过细均会严重影响应力与压电光电子耦合效应。只有在上述限定范围内的ZnO纳米线阵列，才能够通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结结区内载流子的分离，增强异质结器件的光电性能。ZnO纳米线是利用两步水热法制备合成的。首先利用射频磁控溅射方法沉积ZnO籽晶层，ZnO籽晶层制备完成后，利用水热法沿ZnO籽晶的c轴方向垂直生长ZnO纳米线阵列。对BFO/ZnO异质结器件在ZnO纳米线c轴顶端施加压缩作用力使纳米线发生应变，通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结结区内载流子的分离，增强异质结器件的光电性能。在黑暗条件下，BFO/ZnO异质结器件的暗电流随压应变的增加而不断增大，施加光照后，光电流随压应变增加呈现一个与暗电流相同的变化趋势。光照下的短路电流也会随着压应变的增加而不断增加，从无应变条件下的0.7458mA/cm2随应变增加到-1.3％而增长到0.9030mA/cm2，增长21％，开路电压却产生了微弱的减小，从最开始的-0.31V在受到-1.3％压应变后减至-0.30V，但其相对于短路电流的增加来说过于微弱，因此BFO/ZnO受到外加压缩作用力后产生压应变对整个异质结器件的光电转换效率起到了增强的作用。本专利技术的有益效果是：一、制备了一种基于铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件，通过对BFO/ZnO异质结器件在ZnO纳米线c轴顶端施加压缩作用力使纳米线发生应变，通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结结区内载流子的分离，从而增强异质结器件的光电性能，异质结的短路电压从0.7458mA/cm2增长到了0.9030mA/cm2，此时器件受到的压缩应变为-1.3％。使BFO/ZnO异质结器件在新型压电-光电能量转换与传感器方向具备一定的潜力。二、通过在BFO薄膜上利用两步水热生长ZnO纳米线制备BFO/ZnO异质结结构，光电性能相比BFO薄膜来说得到了显著的提高，在波长为405nm，功率密度为200mW/cm2的蓝紫光照射下，其短路电流提高了6倍，开路电压也达到了原来的1.5倍大。附图说明附图1是BFO/ZnO异质结器件结构示意图。附图2是BFO薄膜在FTO导电玻璃上的SEM图像，其中图2(a)直观反映出了BFO薄膜表面均匀致密，具有较好的平整性，图2(b)中BFO薄膜的截面SEM图像显示了薄膜厚度为522nm，与FTO导电层之间分界清晰，由此我们判断使用溶胶凝胶旋涂的方法制备的BFO薄膜质量较好。附图3是BFO/ZnO异质结结构的SEM图像。其中图3(a)表面形貌，图3(b)截面形貌附图4是对BFO薄膜和BFO/ZnO异质结双层膜进行XRD分析，其中图4(a)是BFO薄膜的XRD图谱，图4(b)BFO/ZnO异质结结构的XRD图谱。附图5是BFO薄膜的面外PFM相位图。附图6是利用PFM测得的相位曲线与振幅变化是铁电材料的典型特征。图6(a)与6(b)分别为BFO薄膜的相位和振幅随外加偏压变化的曲线图。附图7是BFO薄膜与ZnO纳米线紫外-可见光分光光度计测试图谱。其中图7(a)透射光谱，7(b)吸收光谱，7(c)带隙拟合。附图8是ITO/BFO/FTO器件与ITO/ZnONWs/BFO/FTO异质结器件在405nm蓝紫光照射下的光电特性曲线。其光功率密度为200mW/cm2。8(a)BFO薄膜在暗态与光照下的J-V曲线，8(b)BFO薄膜与BFO/ZnO异质结在光照条件下的J-V曲线，8(c)BFO薄膜与BFO/ZnO异质结在零偏压下的J-T曲线，8(d)单个on/off循环的器件响应与恢复时间。附图9是暗态与光照条件下，BFO/ZnO异质结器件受到压应力下的光电特性曲线。其中9(a)暗态下BFO/ZnO异质结在不同应变条件下的J-V曲线，9(b)光照下BFO/ZnO异质结在不同应变条件下的J-V曲线，9(c)BFO/ZnO异质结光照下受到不同应变时短路电流(上)与开路电压(下)变化的局部放大图，9(d)不同应变下BFO/ZnO异质结的光电响应曲线附图10是BFO/ZnO异质结受压缩应变时能带的变化示意图。具体实施方式下面通过实施进一步详细描述本专利技术，但这并非是对本专利技术的限制，根据本专利技术的基本思想，可以做出各种修改和改进，但只要不脱离本专利技术的基本思想，均在专利技术的范围之内。实施例一种基于铁电薄膜BFO/ZnO纳米线异质结器件，如图1所示，由下至上依次包含底电极，BFO铁电薄膜3，ZnO籽晶层4，ZnO纳米线阵列5，上电极6。底电极为FTO导电玻璃，包含玻璃层1和FTO层2。上电极6为ITO电极层。其制备方法包含以下步骤。步骤1，BFO前驱液的配置。将称量好的1.2143g九水合硝酸铁[Fe(NO3)3·9H2O]溶于5ml的乙二醇甲醚，使用磁力搅拌器以600r/min的转速在室温下进行搅拌至完全溶解，随后加入1.5998g五水合硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]，考虑铋元素挥发，硝酸铋过量10％。同时将3ml冰乙酸与2ml乙酸酐作为脱水剂加入溶液中去，持续搅拌30min，待药品完全溶解分散于溶剂中后加入100μL的乙醇胺调节溶液的粘度，继续在室温下搅拌12h后，陈化24h即得到0.3mol/L的前驱体溶液。步骤2，BFO薄膜的制备.BFO铁电薄膜利用旋涂法制备。使用的基底为FTO导电玻璃，规格大小为15mm×15mm×2mm。旋涂前将FTO玻璃依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗，循环清洗两遍后用氮气枪吹干。将FTO基底固定在匀胶机上，取适当前驱液滴于导电玻璃上，然后匀胶机以低速800r/min转10s。然后高速3500本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：通过对BFO/ZnO异质结器件施加压应变调节界面能带结构以及结区内光生载流子的输运，最后达到提高异质结光电响应的目的，所述BFO/ZnO异质结器件由下至上依次包含底电极，BFO铁电薄膜，ZnO籽晶层，ZnO纳米线阵列，上电极，所述ZnO纳米线阵列中纳米线的长度为5μm‑10μm，纳米线的直径160‑200nm，纳米线沿c轴方向生长。

【技术特征摘要】
1.一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：通过对BFO/ZnO异质结器件施加压应变调节界面能带结构以及结区内光生载流子的输运，最后达到提高异质结光电响应的目的，所述BFO/ZnO异质结器件由下至上依次包含底电极，BFO铁电薄膜，ZnO籽晶层，ZnO纳米线阵列，上电极，所述ZnO纳米线阵列中纳米线的长度为5μm-10μm，纳米线的直径160-200nm，纳米线沿c轴方向生长。2.根据权利要求1所述的一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：所述BFO/ZnO异质结器件的制备方法，采用溶胶-凝胶旋涂法在FTO导电玻璃上制备BFO铁电薄膜，利用磁控溅射在其上制备ZnO籽晶层，使用水热法垂直向上生长ZnO纳米线陈列，最后使用磁控溅射沉积ITO透明电极。3.根据权利要求1所述的一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：ZnO纳米线阵列是利用两步水热法制备合成的，先利用射频磁控溅射方法沉积ZnO籽晶层，在ZnO籽晶层制备完成后，利用水热法沿ZnO籽晶的c轴方向垂直生长ZnO纳米线阵列。4.根据权利要求3所述的一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：所述对BFO/ZnO异质结器件施加压应变调节的操作是，对BFO/ZnO异质结器件在ZnO纳米线c轴顶端施加压缩作用力使纳米线发生应变，通过纳米线发生应变时产生的压电势来促进BFO/ZnO异质结结区内载流子的分离，增强异质结器件的光电性能。5.根据权利要求4所述的一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：在黑暗条件下，BFO/ZnO异质结器件的暗电流随压应变的增加而不断增大，施加光照后，短路电流随着压应变的增加而不断增加，从无应变条件下的0.7458mA/cm2随应变增加到-1.3％而增长到0.9030mA/cm2，增长21％，开路电压从-0.31V在受到-1.3％压应变后减至-0.30V。6.根据权利要求5所述的一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法，其特征是：所述籽晶层是利用射频磁控溅射方法沉积在BFO铁电薄膜上的，厚度约为100nm；溅射条件，本底真空<4.5×10-4Pa，靶间距50mm，溅射功率80W，溅射气压2Pa，氩气和氧气流速比40:2，衬底温度500℃，溅射时间5min；Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海务，吴梦君，王清林，任晓琳，刘平安，刁春丽，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41