Ag表面等离子体增强的Cu2O基光探测器性能研究

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本论文从目前Cu2O光电探测器件中遇到的问题入手,对于传统的制备技术,存在Cu2O材料容易产生CuO杂质,以及结晶质量差,空穴浓度低,导致Cu2O探测器的光电流及响应度较低的问题。因此如何实现一个高效的Cu2O基探测器成为研究热点。本文利用电化学方法制备Cu2O薄膜,并研究了Cu2O薄膜的结晶质量、表面形貌等性质,在此基础上制备Cu2O/ZnO异质结探测器,对探测器光学及电学性能进行测试。最后通过引入表面等离子体,利用表面等离子体共振提高探测器的响应度,并对等离子体增强型探测器各项性能进行表征。本论文主要研究内容包括以下部分:(1)改变薄膜沉积时间,研究沉积时间对Cu2O薄膜的结构、质量及形貌的影响。通过紫外-可见吸收光谱以及X射线衍射(XRD)等测试结果的对比分析得出,沉积温度为60℃、沉积电压为-0.6V、电解液pH值为10以及沉积时间为15min时,为电化学沉积制备Cu2O薄膜的最佳生长条件。此条件下制备的Cu2O薄膜吸收边约为560nm,结晶质量较好,无杂质产生。该方法实现了高质量Cu2O薄膜的制备。并在此基础上制备Cu2O/ZnO异质结探测器,通过伏安特性曲线(I-V)、光响应等测试对该探测器的性能进行表征分析,测试结果表明,该Cu2O/ZnO异质结探测器具有较高的响应度及低暗电流,该探测器整体性能较好。(2)采用电化学沉积技术制备了Cu2O/ZnO异质结探测器,在此基础上,采用Ag表面等离子体对探测器性能进行提升。通过时域有限差分(FDTD)模拟获得Ag纳米粒子的最佳尺寸及分布,采用离子溅射仪生长Ag纳米粒子,获得了匹配Cu2O吸收峰的Ag粒子的生长条件。将Ag纳米粒子引入到Cu2O/Ag/ZnO探测器中,以提高其响应度。通过对比引入Ag纳米粒子前后探测器的性能,分析其增强机理。研究表明,在Ag表面等离子体波长与Cu2O吸收峰位匹配时,通过表面等离子体共振耦合能够增强探测器对入射光的吸收。I-V曲线表明,Ag粒子增强的Cu2O/Ag/ZnO探测器在3V偏压下,最大光电流达到3.8×10-3A,与未引入Ag粒子的Cu2O/ZnO异质结探测器相比,整体光电流提高了10倍。光响应谱在3V电压下,最大响应度达到64mA/W,相比于未引入Ag粒子的探测器(11mA/W),提高了6倍。表明通过引入表面等离子体,获得了高性能Cu2O基光探测器。为制备高响度Cu2O基探测器提供依据。
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