碘化铅纳米线制备及其光电性能研究

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纳米材料的发现使人们对材料的研究不再局限于宏观材料科学。研究表明当材料本身尺度降低到纳米量级时,其自身会产生量子隧穿效应等特殊量子效应。人们将纳米材料按照维度上尺寸的大小划分为三类:零维、一维和二维纳米材料,本文重点涉及一维纳米材料。所谓一维纳米材料是指在其它两个维度上均为纳米尺寸的材料,主要包括纳米线、纳米管、纳米带等材料。一维纳米材料的特殊形貌结构使其具备更大的表面积和更高的表面活性,在气敏和光敏探测上可以表现出超高的敏感性,因而有望被应用于各类微观探测传感器中。目前电子器件的发展趋向于微型化、集成化和精密化,因而纳米器件的制备与应用变得更加重要。无掩膜紫外光刻是半导体器件加工工艺中非常重要的技术,相对于传统光刻技术,无掩膜紫外光刻模板无需定制仅仅通过电脑设计便可使用,因而不仅降低了光刻成本并且在光刻电极图形的选择上也更加灵活,被广泛应用于制备微电子器件,从而推动微纳器件的不断发展。同时,随着探测技术的发展,人们对探测材料的灵敏度要求也越来越高。PbI2相较于传统半导体探测材料具有更优异的探测性能,因而被人们用于军事、环境监测、野外勘探及常温核辐射探测器等高技术领域。PbI2是一种密度较大的黄色物质,其晶体结构为六角晶型,作为一种直接带隙半导体,其能带宽度大等特点使其在电子传输及光电响应特性上表现出良好性能,因而开发其在光电探测方面的应用成为人们关注的重要领域。本研究工作采用物理气相沉积(PVD)法制备了 PbI2纳米线,并采用XRD、SEM、EDS等技术手段分析了其微观结构。通过无掩膜紫外光刻及聚焦离子束刻蚀等微加工工艺技术制备了单根PbI2纳米线两端器件,并测试分析了其光电特性。根据PbI2纳米线制备、微结构表征及微电子器件加工和光电测试,我们得到以下结果:1.通过工艺优化成功制备了 PbI2纳米线。采用物理气相沉积方法制备了 PbI2纳米线,并确定了最佳生长条件:Ar气氛围下,350℃保温1h,压强10 Pa,气体流速6 sccm;采用XRD、SEM、EDS表征了PbI2纳米线样品,发现其为纯度较高的单晶样品,化学计量比Pb:I = 1:2;高倍下的SEM观察发现PbI2纳米线生长过程中出现了无催化剂的自催化过程。2.通过优化微加工工艺制备了 PbI2纳米线光电器件。无掩膜紫外光刻中光刻胶S1805的最佳匀胶条件为:500 r/min初步匀胶6 s,3500 r/min高速匀胶40 s,5 s内停止匀胶,胶膜厚度约为400 nm,其敏感波段为434 nm紫外光波段。当固定显影时间为40 s时,10×镜头最佳曝光时间约为5 s。光刻后PbI2纳米线微电子器件电极结构为7-nm Ti/75-nm Au。纳米线与底电极连接采用聚焦离子束刻蚀系统(FIB)工艺焊接。3.PbI2纳米线显现出强烈的光响应。PbI2纳米线两端器件的I-V曲线表明器件具有良好的欧姆接触,其光照下电流值高出暗电流两个数量级;外加3 V电压,并采用光功率密度为360mW/cm2的450nm蓝光照射,其光电流开关比达到48;光功率密度为90mW/cm2时,其器件响应度为75mA/W。
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