金属氧化物半导体多孔膜材料光电性能评价的研究

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1、AThesisSubmittedinFullyFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringOnthePhotoelectricPropertyCharacterizationofMetalOxideSemiconductorPorousFilmPh.D.Candidate:LiHuayaoMajor:MaterialsScienceSupervisor:Prof.XieChangshengHuazhongUniversityofScienceand

2、TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaApril,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论

3、文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要金属氧化物半导体材料由于其具有来源广泛、性质稳定、性能优异、易于合成与调控等优势，被广泛应用于光电探测、气敏响应、太阳能电池、能量储存和光催化降解有机物等领域中。在这些领域中，金属氧化物半导体材

4、料不但要与入射光交互作用，还要与其工作环境中的气体分子进行交互作用。多孔膜材料因具有较大的比表面积，其与环境气体分子之间交互作用有着先天的优势。因此，金属氧化物半导体多孔膜在这些领域中备受重视。为了能够更好的研究材料组成、结构与性能之间的联系，开发性能更为优异的材料，评价金属氧化物半导体多孔膜的光电性能尤为重要。本文正是以此为契机，提出硬件平台与测试方式一揽子解决方案，来评价金属氧化物半导体多孔膜的光电性能。本文首先设计并制作了金属氧化物半导体多孔膜的光电性能评价平台。该平台硬件系统由光源、环境控制、材料芯片、数据采集电路和

5、测试腔五部分组成；软件系统基于LabVIEW图形化编程语言完成。该平台主要有高通量测试、测试环境可控、材料光电流谱测试和自动测试四大特点。通过本平台可以实现光电导稳态曲线（I-V曲线测试）、光电导时域曲线（σ-t曲线测试）和光电导频域曲线三种测试（σ-λ曲线测试）。依据导电模型，我们建立了描述金属氧化物半导体多孔膜在一定环境气氛下受光激发后的电流--电压关系（即，光电导稳态曲线测试方法）。制做了ZnO、SnO2、WO3和TiO2多孔膜材料芯片，并测试了其在暗态和紫外光条件下不同环境气氛（干燥空气、甲醛）中的稳态电流电压响应。

6、通过遗传算法，结合所推导的公式拟合得到各个材料在不同状态下耗尽层势垒的变化，并进一步得到空穴利用率、耗尽层宽度的变化和耗尽层内载流子浓度的变化等微观参数。测试结果表明，可以通过稳态光电导曲线的测试来评价材料的光催化活性。我们通过半导体材料光电性能测试平台获得了TiO2/SnO2金属氧化物半导体多孔膜复合体系的光电导时域曲线，并从中提取光电导幅值以及弛豫曲线特征参数。I华中科技大学博士学位论文基于光电导赋值我们提出了适应于光电导领域的光电转换效率（IPCE），并用此来评价复合材料中光生电子与空穴的分离能力，而基于半导体光电响应

7、弛豫曲线获得了复合体系中各个成分点的缺陷种类、密度以及能级位置，进一步证实了IPCE数据分析的结果。光电导时域曲线中IPCE的分析方法和弛豫曲线的分析方法较传统的分析手段可以获得更多、更准确、更本质的材料信息。我们通过光电导谱的测试方式研究了真空退火与掺杂对金属氧化物半导体多孔膜缺陷及其光电性能的影响。研究结果表明，真空退火的制备方法可以有效降低半导体材料中的缺陷，使得本征光电导更为突出；而掺杂的方式会引入特定的缺陷，使得材料在本征光电导响应区间外也有一定的响应，进而扩展材料的波长响应范围。通过分析发现，光电导谱的测试方式可

8、以原位、直接、快速和准确的表征材料中缺陷对光电性能的影响。我们采用半导体光电性能评价平台对水分子与金属氧化物半导体光电性能的交互影响进行研究，金属氧化物半导体多孔膜在光响应过程中与水分子和环境中其它分子（例如可挥发有机污染物）的交互作用极大的影响了其光电导时域曲线。通过本文的研究发现，金属