用于Ni接触型MSM紫外光电探测器的ZnO纳米结构的简便电化学制备方法

《Next Research》：Facile Electrochemical Growth of ZnO Nanostructures for Ni-Contacted MSM UV Photodetectors

本文采用低成本电化学沉积法在Si(100)衬底上制备高密度ZnO纳米棒阵列，探究硝酸锌浓度对微观结构及紫外探测性能的影响。通过XRD、SEM、PL和CV特性分析，发现0.1 M浓度下ZnO纳米棒结构均匀，形成于437 cm?1的E?(high)拉曼峰证实六方纤锌矿相。Ni电极构建的MSM器件在300-470 K温度范围内表现出高灵敏度（25@5V）和快速响应（0.7s），为新型紫外探测器开发提供有效途径。

　　

N.K. Hassan|E.A. Talab|M. Bououdina

伊拉克提克里特大学纯科学教育学院物理系

摘要

本研究提出了一种有效的方法，通过使用低成本的电化学沉积技术在硅（Si（100）基底上制备高密度棒状ZnO，从而增强紫外线（UV）的检测能力。研究了硝酸锌溶液浓度（0.5、0.75、0.1和0.125 M）的影响。X射线衍射分析证实了ZnO具有单一晶型的六方纤锌矿结构，其光致发光特性包括近带边的359–376 nm范围和深能级发射的约450–650 nm范围。扫描电子显微镜观察显示，随着Zn(NO?)?浓度的增加，ZnO的形态从稀疏颗粒（0.05 M）变为均匀的六方纳米棒（0.100 M），再进一步变为扭曲的金字塔形簇（0.125 M）。拉曼光谱分析表明，在所有浓度下均成功形成了六方纤锌矿结构的ZnO，这一点通过约437 cm?1处的显著E?(high)模式得到证实。使用Ni电极制备的金属-半导体-金属器件的电流-电压研究显示，随着温度（300 – 470 K）的变化，其UV检测性能得到提升：在5 V偏压下具有高灵敏度（25），且上升时间缩短（0.7秒）。

引言

氧化锌（ZnO）因其高介电常数[1]、优异的电子迁移率、出色的透明性、室温下的强发光特性[2]以及独特的物理、化学和生物性质（如生物相容性、环保性、低成本和无毒性[3]、60 meV的显著结合能、3.37 eV的宽带隙以及在高温条件下的良好性能[4],[5],[6],[7]）而被认为是可行的吸附剂。基于ZnO的器件，如紫外线光电探测器（UV PDs），在化学和生物传感应用中具有重要意义[8]。然而，这些器件需要满足多个要求，这通常无法通过单一器件实现。大量研究工作致力于开发这类器件，使其成为一种有吸引力的选择，因为它们具有很高的效率。

尽管如此，ZnO沿c轴的各向异性生长使得纳米棒垂直排列，从而增强了紫外线吸收、氧气吸附位点以及载流子传输路径，使其成为灵敏且低功耗的紫外线光电探测器的理想选择。ZnO纳米结构因其可调的形态（纳米棒、纳米线、纳米带、纳米管）、与缺陷相关的可见光发射以及强的NBE紫外线辐射复合能力而被广泛应用于光电领域。Zn-terminated (0001)平面的极性有助于纳米棒的生长方向，从而增强了光与物质的相互作用，这对光电探测器的性能至关重要。文献中的某些研究表明，通过调控缺陷化学、氧空位和表面状态可以显著影响光电流的大小、上升/衰减时间以及紫外线照射下的势垒调制[9,10]。

基于ZnO的紫外线光电探测器的最新进展进一步凸显了其技术潜力。用金纳米颗粒修饰ZnO纳米结构可以显著提高紫外线响应性，这是由于等离子体诱导的电荷分离作用[11]。通过湿化学方法生长的掺镓ZnO纳米结构也通过增加载流子浓度和改善晶体质量而表现出更好的紫外线传感特性[12]。同样，通过室温光化学工艺合成的一维Ag/ZnO混合纳米结构由于高效的界面电荷转移而实现了高增益的紫外线检测[13]。掺铁ZnO纳米棒由于掺杂剂诱导的缺陷状态调制而表现出显著的灵敏度提升[14]，而掺镍ZnO纳米棒阵列通过减少深能级复合路径而改善了紫外线响应[15]。此外，掺铜ZnO纳米棒通过有利的表面态调制也表现出增强的紫外线灵敏度[16]。最近，通过低成本的光化学技术合成的二维Pd/ZnO纳米片光电探测器显示出强烈的紫外线灵敏度，并具有湿度响应性，这突显了基于ZnO的探测器架构的广泛应用前景[17]。

为了实现高功率的ZnO光电器件，有必要深入研究金属/ZnO界面的物理特性及其对电气性能的影响。本研究旨在通过简单的溶液工艺设计和制备基于Ni/NPs的二维ZnO。实际上，ZnO纳米结构作为下一代紫外线光电探测器展现了广阔的应用前景[18],[19],[20]。纳米结构中的量子效应由于载流子限制而增强了辐射复合[21]。然而，据报道，光载流子的寿命随着灵敏度的降低而增加[22]。

本研究探讨了通过沉积在Si（100）基底上的高密度ZnO纳米棒上的Ni金属接触层实现的电子传输。ZnO是通过电化学方法合成的。该器件的电气性能在300 - 470 K范围内进行了测量。理想因子（n）、势垒高度（Bo）和串联电阻（Rs）的值是通过I-V测量确定的。本研究提供了一种简单且经济高效的技术来制备高密度ZnO纳米棒器件，为下一代PDs在广泛应用中的发展铺平了道路。

实验部分

实验

在室温下，使用硝酸锌Zn(NO?)?•6H?O水溶液通过电化学沉积（ECD）制备了高密度的棒状ZnO纳米结构。电化学电池由两个自制的Teflon电极组成，其中一个电极上缠绕着铂丝作为阳极，另一个n型Si（100）基底作为阴极，两者相距0.5厘米并浸入溶液中。电化学沉积在3 mA/cm2的电流密度下进行90分钟，同时改变硝酸锌的浓度（0.5、…）

形态学、结构和光学表征

图1显示了沉积后的ZnO薄膜的SEM图像。总体而言，前体Zn-nitrate Zn(NO?)?•6H?O的初始浓度影响了纳米结构的形态和颗粒大小。形成了变形的六方晶体，这些晶体以棒状基体相互连接。此外，随着Zn-nitrate浓度的增加，晶体尺寸逐渐增大，并倾向于形成类似六边形的晶体聚集体，如图1(a-b)所示。

结论

利用简单的电化学沉积技术制备出了高密度的ZnO纳米棒薄膜。通过XRD、拉曼和光致发光等手段进行的结构和光学表征证实了形成了高质量、具有强c轴取向的ZnO薄膜。制备了Schottky势垒二极管Ni–ZnONRs，并在300 – 425 K的温度范围内对其I-V特性进行了测试。结果表明，该紫外线光电探测器表现出优异的性能。

CRediT作者贡献声明

N.K. Hassan和E.A. Talab负责概念构思、方法论的制定，并监督了整个研究工作。M. Bououdina负责样品的制备、原始草稿的撰写以及实验的实施。所有作者共同审阅并批准了论文的最终版本。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者声明

N.K.Hassan负责概念构思、方法论的制定，并监督了整个研究工作。

E.A.Talab负责样品的制备、原始草稿的撰写以及实验的实施。

M. Bououdina负责正式分析、数据验证、论文的撰写、审阅和编辑。

所有作者共同审阅并批准了论文的最终版本。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。