β-Ga2O3/p-SiNWs异质结光学特性与电学性质研究

氧化镓(Ga₂O₃)是一种宽禁带的半导体材料,超大的禁带宽度(4.9eV)、较高击穿电场强度和高热稳定性,使其成为一种很有应用前景的材料。本文以p型硅纳线阵列(p-SiNWs)为衬底,使用磁控溅射法制备了β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结,探究了其光学与电学性质。与纯Si相比,p-SiNWs表现出优良的“陷光”特性,其反射系数约为纯Si的1/6,且随着p-SiNWs长度的增加,反射系数逐渐降低。室温下光致发光光谱(PL)测试发现,异质结在551nm附近出现典型的绿色发射峰。β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结具有明显的整流特性,在V=1.40V时其整流系数高达1724,随着p-SiNWs长度增加异质结理想因子逐渐增加,最佳理性因子为1.98。通过计算logI-logV图对其电荷传输机制进行了探究。退火可以提高β-Ga₂O₃薄膜的结晶度,从而提高异质结的电学特性。     

NiO/Ga2O3 p+-n异质结功率二极管中陷阱介导双极型电荷输运研究(英文)

构筑NiO/Ga₂O₃ p+-n异质结是克服Ga₂O₃ p型掺杂瓶颈从而实现双极型功率电子器件的有效途径,然而限制器件性能的缺陷行为与双极型电荷输运等物理机制尚不明晰.本论文研究了NiO/Ga₂O₃ p⁺-n异质结中陷阱介导的载流子输运、俘获和复合动力学之间的内在关联特性.变温电流-电压特性的量化分析表明,在正偏亚阈值区,陷阱辅助隧穿占据主导地位,符合多数载流子陷阱介导的Shockley-Read-Hall复合模型,其陷阱激活能为0.64 eV,与深能级瞬态谱测试的陷阱能级位置(EC-0.67 eV)非常吻合;当正向偏压大于器件开启电压时,器件输运特性由少数载流子扩散所主导,器件理想因子接近于1.在反向偏置的高场作用下,器件漏电机制则由β-Ga₂O₃体材料中的陷阱引起的PooleFrenkel (PF)发射所导致. PF发射的势垒高度为0.75 eV,与等温变频深能级瞬态谱测得的陷阱能级位置...     

宽禁带半导体Ga2O3基日盲紫外探测器的研究进展

β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，对应太阳光谱的深紫外波段，可用于制备日盲紫外探测器。日盲紫外探测器抗干扰能力强、探测灵敏度高、背景噪声低，在军事和航空航天领域具有极大的应用前景。本文主要介绍Ga₂O₃材料的基本性质，包括不同的晶相结构及其制备方法，并总结不同结构的Ga₂O₃器件在日盲紫外探测领域的研究进展。其中，金属-半导体-金属(MSM)结构的Ga₂O₃器件最为普遍，特别是基于薄膜材料的器件已具备了商业化参数，有望实现产业化应用。基于Ga₂O₃的异质结和肖特基结日盲紫外探测器也表现出优异的性能，并呈现出自供电特性。此外，薄膜晶体管结构Ga₂O₃器件结合MSM结构和晶体管结构的工作机制，可获得更大的光增益，适用于微弱信号的探测，成为一种极具潜力的日盲紫外探测器件。     

缺陷对β-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响

采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了β-Ga₂O₃薄膜。借助于X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、以及二次离子质谱(SIMS)研究了缺陷对β-Ga₂O₃薄膜的结构和光学特性的影响。结果表明,未退火的Ga₂O₃薄膜呈现非晶态,随高温退火时间逐渐增加,非晶Ga₂O₃薄膜逐步转变为沿(-201)方向择优生长的β-Ga₂O₃薄膜。所有Ga₂O₃薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%,β相Ga₂O₃薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加~0.3 eV,且随退火时间的增加,β-Ga₂O₃薄膜的光学带隙也随之变宽。此外,发现非晶Ga₂O₃薄膜富含氧空位缺陷,高温退火处理后,β-Ga₂O₃薄膜中的氧空位浓度明显降低,但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga₂O₃薄膜层,并随退火时间的增加Al浓度明显增加,氧空位的降低和Al杂质的增加是导致β-Ga₂O₃薄膜光学带隙变宽的主要原因。     

宽禁带半导体β-Ga2O3单晶制备工艺研究进展

Ga₂O₃是一种宽禁带化合物半导体,因具有优异光电性能成为继SiC和GaN之后的第三代用于功率元件的宽禁带半导体,可广泛应用于航空航天、信息通讯、医疗卫生等领域。β-Ga₂O₃单晶的制备方法主要有焰熔法、直拉法、导模法、浮区法、垂直布里奇曼法、化学气相传输法等。β-Ga₂O₃在高温下易分解,这增加了制备大尺寸、高质量β-Ga₂O₃单晶的难度。本文在详细介绍β-Ga₂O₃单晶的制备方法,并在此基础上分析了各种方法的优缺点,总结了其在功率器件方面的应用,为β-Ga₂O₃单晶制备技术优化及拓展应用前景提供了一定的参考。     

雾化辅助CVD腔体的优化设计与实现

为了实现雾化辅助CVD (chemical vapor deposition，化学气相沉积)腔体的可定制性、可复用性及经济性，并满足高质量单晶氧化镓(Ga₂O₃)薄膜制备的实际需求，设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga₂O₃薄膜制备实验，对Ga₂O₃薄膜进行了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱分析，并采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)观察其表面形貌。实验结果表明：采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃薄膜；采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga₂O₃薄膜的(006)晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°，表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 ...     

基于低温原位法制备Ga2O3或In2O3电子收集层的高效有机太阳电池

有机太阳电池(OSCs)中,温和的界面材料制备工艺对于拓宽材料适用范围和提高器件能量转换效率(PCE)具有重要作用.本文提出了简便易行的In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层的制备方法,即旋涂In(acac)3和Ga(acac)3异丙醇前驱体溶液并结合低温热退火.在基于PM6:Y6的OSCs中引入In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层,得到了性能优异的器件, PCE分别达到16.17和16.01.对比研究发现, In₂O₃的功函数WF为4.58 eV,这比WF为5.06 eV的Ga₂O₃更有利于与ITO电极形成欧姆接触,因此基于前者的器件开路电压更高.此外,电化学阻抗谱EIS的研究进一步揭示了In₂O₃和Ga₂O₃对器件内部电荷转移过程的影响及其性能差异的由来:In₂O₃的串联电阻损耗虽然较低,但Ga₂O₃的复合电阻较高,所以一定程度上提高了基于Ga₂O₃的器件的填充因子,进而补偿了其串联电阻的损失.本论文的对比研究发现, In₂O₃和Ga₂O₃都是OSCs优异的电子收集层.     

无催化β-Ga2O3纳米棒的可控制备

由于氧化镓(Ga₂O₃)纳米棒具有独特的物理和化学性质,在纳米光电子器件等领域具有广泛的应用前景,因此氧化镓纳米棒的可控制备具有十分重要的意义。本文采用化学气相沉积(CVD)的方法,在无催化条件下,在硅Si(100)衬底上成功生长出β-Ga₂O₃纳米棒。通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜等表征,发现氧化镓纳米棒按照气-固(V-S)机制生长,当生长温度从850℃升高到950℃时,纳米棒的密度、直径和长度增加,纳米棒的形貌从杂乱无序的随机生长转变为沿衬底垂直且具有不同夹角方向生长。结果表明,反应温度和氧气浓度决定了氧化镓纳米棒的形貌和尺寸,通过控制温度和氧气浓度能够有效调控氧化镓纳米棒的形貌和光学性能。     

全氧化镓薄膜同质p-n结（英文）

制备p-n结以及探索其物理机制在发展各种功能器件和推进其实际应用中起到关键作用.超宽禁带半导体在制备高压高频器件上有着巨大的潜力,但是氧化镓p型掺杂困难限制了氧化镓同质p-n结的制备,进而阻碍了全氧化镓基双极型器件的发展.本文通过一种先进的相转变生长技术结合溅射镀膜的方法,成功制备了n型锡掺杂β相氧化镓/p型氮掺杂β相氧化镓薄膜.本工作成功制作了全氧化镓单边突变同质p-n结二极管,并且详细分析了器件机理.该二极管实现了4×10⁴的整流比、在40 V下9.18 mΩcm²的低导通电阻、4.41 V的内建电势和1.78的理想因子,并在交流电压下表现出没有过冲的整流特性以及长期稳定性.本工作为氧化镓同质p-n结初窥门径,为氧化镓同质双极型器件奠定了基础,为高压高功率器件的应用开创了道路.     

Effect of sintering temperature on the chemical bonding,electronic structure and electrical transport properties of β-Ga1.9Fe0.1O3 compounds

A model system,which is based on iron(Fe)doped gallium oxide(Ga₂O₃)(Ga_1.9Fe_0.1O₃),has been considered to elucidate the combined effect of transition-metal ion doping and processing temperature on the chemistry,local structure and chemical bonding,and electrical transport properties of a wide band gap oxide(Ga₂O₃).The Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds were synthesized using standard high-temperature solid state reaction method.The effect of processing conditions in terms of different calcination and sintering environments on the structural and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds is studied in detail.Structural characterization by Raman spectroscopy revealed that Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds exhibit monoclinic crystal symmetry,which is quite similar to the intrinsic parental crystal structure,though Fedoping induces lattice strain.Sintering temperature(T_sint)which was varied in the range of 900-1200℃,has significant impact on the structure,chemical bonding,and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.Raman spectroscopic measurements indicate the proper densification of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds achieved through complete Fe diffusion into the parent Ga₂O₃ lattice which is evident at the highest sintering temperature.The X-ray photoelectron spectroscopy validates the chemical states of the constituent elements in Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.The electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ fully controlled by T_sint,which governed the grain size and microstructural evolution.The temperature and frequency dependent electrical measurements demonstrated the salient features of the Fe doped Ga₂O₃ compounds.The activation energy determined from Arrhenius equation is 0.5 e V.The results demonstrate that control over structure,morphology,chemistry and electrical properties of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds can be achieved by optimizing T_sint.     

MOCVD同质外延生长的单晶β-Ga2O3薄膜研究

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在(010)Fe掺Ga₂O₃半绝缘衬底上进行同质外延生长Ga₂O₃薄膜,系统性地研究了生长温度(880℃/830℃/780℃/730℃)和生长压强(80/60/40/20 Torr)对外延薄膜表面形貌、晶体质量以及电学特性等的影响。结果表明随着生长温度和压强的增加：薄膜生长速率分别呈现出略微增加和大幅下降的趋势;薄膜表面阶梯束(step bunching)的生长方式逐渐增强,并且呈现出沿着[001]晶向生长的柱状晶粒;高分辨X射线衍射(XRD)扫描显示薄膜均只在(020)面存在衍射峰,表明生长的薄膜为纯β相单晶薄膜,且半高宽可达到45.7 arcsec;霍尔测试表明780℃和60 Torr的生长条件下薄膜的室温电子迁移率最高。本文为基于MOCVD的Ga₂O₃同质外延生长提供了系统的参数指导,为高质量Ga₂O₃薄膜的制备奠定了基础。     

带状γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂光催化降解四环素

针对传统ZnO光催化活性不高的问题,采用Zn(CH₃COO)₂和FeCl₃作为ZnO和Fe₂O₃的前驱体,水热条件下采用“一锅法”制备带状γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂,采用XRD、BET比表面积测量仪、TEM、紫外-可见漫反射、电子顺磁共振(EPR)等对其晶体化学结构进行表征。在可见光光源下,探究了不同γ-Fe₂O₃负载量时γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的光催化降解的效果。研究表明,ZnO负载γ-Fe₂O₃后比表面积和光照吸收显著改善,禁带宽度有所减小,可见光光照120 min,n(Zn)∶n(Fe) (原子比)为20∶1的γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的降解率高达97.2%,多次重复使用后四环素的降解率保持在95%以上。      

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

管状g-C3N4/ZnIn2S4纳米片异质结通过促进电荷分离实现高效光催化合成H2O2(英文)

过氧化氢(H₂O₂)是一种环保的活性氧和重要的绿色氧化剂.然而,到目前为止,实现高效和绿色可持续H₂O₂生产仍然面临挑战.本文中,我们展示了管状氮化碳(TCN)和ZnIn₂S₄ (ZIS)纳米片(TCN/ZIS)异质结的光催化产H₂O ₂性能:3小时内H₂O ₂的生产速率为2.77 mmol g^-1h^-1,分别为单独的TCN和ZIS的3.4倍和23.1倍.实验结果表明,TCN/ZIS异质结优异的光催化活性主要源于ZIS促进了电荷分离从而通过将O₂还原为·O₂^-,然后生成H₂O₂来实现质子耦合电子转移过程.该工作提出了一种高效、绿色的H₂O₂生产策略,对环境修复具有重要科学意义...     

ZnO/In2O3纳米异质结的合成及其光催化性能的研究

通过热水解法成功制备出了形貌均一的ZnO/In₂O₃异质结光催化材料, 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)以及透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌及结构进行表征。结果表明: ZnO/In₂O₃异质结是由直径约200~300 nm、厚度约40~60 nm的六边形纳米片镶嵌着In₂O₃纳米小颗粒组成。对比纯ZnO、纯In₂O₃和该光催化材料对罗丹明B(RhB)的可见光降解效率, 发现ZnO/In₂O₃异质结光催化材料对RhB具有较高的光催化效率, 其原因是窄带系半导体In₂O₃能够有效地吸收可见光, 当ZnO与In₂O₃ 形成异质结时, In₂O₃能带上被可见光激发的电子会迁移到ZnO的导带上, 而光激发的空穴仍保留在In₂O₃价带, 这样有助于光生电子和空穴的分离, 降低其复合几率, 从而有效地提高了ZnO的光催化效率。     

MoS2/ZnO异质结及其在光电探测器中的研究进展

以MoS₂为代表的过渡金属硫族化合物(TMDCs)由于独特的电子结构、优异的半导体特性、可调节的带隙(1.3～1.8eV)、高迁移率和强光-物质相互作用成为发展下一代高性能光电器件的理想候选材料。然而二维材料独特的层间范德华间隙，使得扩散、注入等传统半导体的掺杂手段无法实现均匀稳定的掺杂，进而无法有效调控其相关电子器件的性能。传统的基于三维半导体的p-n结是现代电子器件的基本组成部分，将二维层状MoS₂集成到传统的半导体材料上成了提升器件性能和探索新功能的策略之一。宽禁带半导体ZnO以其优越的光电性能已广泛应用于高效率短波长探测、发光和激光器件以及智能设备上。近年来，MoS₂和ZnO组成异质结结构的研究成了热点，诸多研究报道MoS₂与ZnO组成的异质结结构可以提高光电探测器的光响应率、光谱范围和光响应速度等，展示了良好的性能。本文综述了MoS₂/ZnO异质结结构的多种制备方法，异质结特性和界面物理机制以及在光电探测器中的研究进展。     

溶胶-凝胶法制备Gd4Ga2O9: Dy3+白光发射荧光粉及其性能

通过溶胶-凝胶法制备了具有白光发射的Gd₄Ga₂O₉:x%Dy³⁺荧光粉,利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱等对产物的物相结构、形貌、组分和光学性能进行研究,并分析了Dy³⁺掺杂量对样品的影响。XRD结果表明,所制备的样品为Dy³⁺掺杂的Gd₄Ga₂O₉单斜晶体和少量Ga₂O₃杂质相的混合物。紫外-可见漫反射光谱结果表明制备的Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉晶体是一种光学带隙为5.29 eV的直接带隙半导体。荧光检测结果表明Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉荧光粉可被属于Gd³⁺     

通过聚合物脱卤策略合成氧化硼掺杂碳及其高效O2还原制H2O2(英文)

O₂通过电化学法直接合成H₂O₂是目前最有可能替代工业上高耗能的蒽醌氧化/还原法的合成方法,但其一直受限于难以开发出高效且低成本的电催化剂.在此,我们通过聚合物脱卤的绿色策略合成了氧化硼掺杂碳(O-BC)材料,将其用作2e-氧还原反应(ORR)的电极材料,采用电化学的方法制备H₂O₂.通过实验调控硼源(H₃BO₃)的用量和退火温度,优化了O-BC材料的催化活性.电化学测试表明:最佳的O-BC-2-650样品表现出高达98%的H₂O₂选择性;在H型碱性电解槽中H₂O₂平均产率为412.8 mmol gcat.^-1h^-1.密度泛函理论计算模拟表明:与一个氧原子相连的硼原子是最佳的活性位点,在吸附O₂的氢化过程中获得最低的吉布斯自由能差(ΔG)0.03 e V;而没有与氧原子相连或者与两个...     

S型异质结Bi4O5Br2/CeO2的制备及其光催化CO2还原性能

光催化CO₂还原技术的关键是开发高效光催化剂,而构建具有紧密界面结构的异质结是增强界面电荷转移,实现高效光催化活性的有效途径。本研究采用静电纺丝技术结合水热法,将Bi₄O₅Br₂纳米片镶嵌在CeO₂纳米纤维表面,制得Bi₄O₅Br₂/CeO₂纤维光催化材料(B@C-x,x对应反应物的加入量)。利用不同方法表征其微观结构、形貌和光电性能。结果表明,适当Bi₄O₅Br₂含量的Bi₄O₅Br₂/CeO₂异质结可以显著提高CeO₂纳米纤维的光催化性能。与纯Bi₄O₅Br₂和CeO₂相比,B@C-2在模拟太阳光下表现出最佳光催化活性,不使用任...     

Co3O4负载rGO/g-C3N4臭氧光催化降解2,4-二氯苯氧乙酸活性研究

通过简单的水热法制备了Co₃O₄/rGO/g-C₃N₄催化剂,并在可见光照射下用于光催化臭氧氧化降解2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)。利用XRD, SEM, TEM, XPS, UV-vis DRS, FT-IR和瞬态光电流对样品进行测试表征。研究表明,Co₃O₄, rGO和g-C₃N₄形成异质结后光生电子-空穴(e^--h⁺)对的分离效率,e^-的迁移能力以及光催化臭氧氧化活性都明显提升。此外,0.5Co₃O₄/0.25rGO/GCN对2,4-D具有100%的去除率,并具有最高反应速率(k=0.070 9 min^-1)。经过计算得出光催化臭氧氧化2,4-D的协同因子为3.91,表明光催化和臭氧氧化间具有较好的协同效应。活性组分的捕获实验结果表明h⁺和·OH是光催...