[发明专利]一种提高BFO/ZnO异质结器件光电响应的方法

说明书

本发明提供了一种提高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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的有益效果是：

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。