河南大学程纲在Nano Energy上报告基于表面离子调控的ZnO纳米线快速紫外光探测器

【引言】

ZnO作为一种性能优异的光电材料，在过去的半个世纪受到了世界各国研究人员的广泛关注。随着纳米科技的发展，低维ZnO纳米结构作为构筑光电器件的基本单元吸引了大家的研究兴趣。作为电子定向传输的最小维度，一维ZnO纳米线具有大的比表面积和表面活性，表面态在调控器件性能方面起到了重要的作用。由于在紫外光响应方面优异的光电性能，基于ZnO纳米线的紫外光探测器得到了大家的深入研究。然而，由于ZnO的持续光电导效应及表面气体分子吸附的高灵敏性，ZnO纳米线紫外光探测器缓慢的光电流回复时间限制了其在实际中的应用。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授报道了一种新的“表面离子栅”调控技术。该利用摩擦纳米发电机诱导的气体放电产生的电子和氧负离子对ZnO肖特基势垒的快速调控特性，发展了一种新型的“表面离子栅”调控技术。该技术利用独立层结构的摩擦纳米发电机诱导的气体放电产生电子和氧负离子，通过有效调控表面态，实现了对Ag/ZnO纳米线肖特基势垒的高度和电学传输特性的调控。不同气氛下的测试结果表明，放电产生的氧负离子在表面的吸附以及放电产生的电子被表面缺陷捕获所形成的表面局域负电荷，是表面离子栅调控表面态的主要途径。在调控中，表面形成的表面局域电荷起到与FET的栅极电压类似的作用，因此，将该方法叫做“表面离子栅”调控技术。

利用表面离子栅调控技术，使ZnO纳米线肖特基势垒紫外光检测的回复时间从87 s降低到0.3 s，成为在空气、氧气、氮气等不同的环境中实现快速紫外光检测的普适方法。本文所提出的表面离子栅调控技术，可以实时、原位地调控纳米线的表面态，这为研究表面态产生和弛豫的动态过程，发展高性能光电纳米器件，提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

相关成果以“The high-speed ultraviolet photodetector of ZnO nanowire Schottky barrier based on the triboelectric-nanogenerator-powered surface-ionic-gate”为题发表在国际著名期刊 Nano Energy上。杨锋博士为论文的第一作者，程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图一 基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的表面离子栅调控技术示意图

（a）基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的表面离子栅调控技术示意图。（b）负电晕放电离子运动示意图。（c）摩擦纳米发电机诱导的气体放电的电流时间曲线及（d）转移电荷量曲线。

图二表面离子栅对ZnO纳米线在不同气氛中的调控特性

图2（a）ZnO纳米线肖特基势垒器件在暗态下的电流-电压曲线，内嵌图片为ZnO纳米线的FESEM图像；表面离子栅调控的ZnO纳米线在空气中（b）、氧气中（c）及氮气中（d）的电流-时间特性。

图三表面离子栅调控的Ag/ZnO纳米线界面肖特基势垒结构及能带示意图

图3 表面离子栅调控前的Ag/ZnO纳米线界面肖特基势垒结构（a）及（b）能带示意图；表面离子栅调控后的Ag/ZnO纳米线界面肖特基势垒结构（c）及能带（d）示意图。

图四 ZnO纳米线的光响应曲线及在表面离子栅调控下的光电流开关曲线

图4 ZnO纳米线器件在暗态和紫外光照下的电流-电压曲线（a）及不同气氛下的光电流开关曲线（b）；空气中（c）及纯氧下（d）表面离子栅调控的ZnO纳米线器件时间分辨的的光电流开关曲线。

图五ZnO纳米线在氮气中的光响应特性及表面离子栅调控特性

图5 ZnO纳米线器件在氮气中的紫外光电流-电压（a）曲线及（b）多周期光电流开关曲线；（c）ZnO纳米线器件分别在空气和氮气中的单周期的光电流开关曲线；（d）氮气中表面离子栅调控的ZnO纳米线时间分辨的光电流开关开关曲线。

图六表面离子栅调控的ZnO纳米线快速紫外光检测器的工作机制

图6不同状态下器件的能带示意图。（a）ZnO纳米线器件在光照下的平带结构；（b）关闭光源后电子自然转移形成的带弯；（c）表面态填充表面离子栅产生的表面局域离子能带结构，由于瞬间完成，并没有产生带弯；（d）表面离子栅调控后耗尽电子引起的带弯。

文章链接：https://authors.elsevier.com/a/1Ysjf7soS7u07-

本文由河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授团队供稿，材料人编辑部编辑

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