《ZnO光電子學(xué)應(yīng)用》課件

ZnO光電子學(xué)應(yīng)用歡迎參加關(guān)于氧化鋅（ZnO）在光電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的深入探討。本次演講將全面介紹ZnO材料的獨特性質(zhì)及其在各種光電器件中的創(chuàng)新應(yīng)用。ZnO材料的性質(zhì)寬禁帶半導(dǎo)體室溫下禁帶寬度約3.37eV，適合紫外光電器件。高激子結(jié)合能60meV，有利于室溫下的激子發(fā)光。透明導(dǎo)電性可見光區(qū)域高透明度，同時具有良好的電導(dǎo)率。壓電性能具有顯著的壓電效應(yīng)，可用于傳感器和能量收集裝置。ZnO材料生長技術(shù)1氣相外延法利用氣態(tài)前驅(qū)體在高溫下沉積ZnO薄膜或納米結(jié)構(gòu)。2水熱法在水溶液中低溫合成ZnO納米結(jié)構(gòu)，如納米棒和納米線。3脈沖激光沉積使用高能激光束蒸發(fā)ZnO靶材，在基底上沉積薄膜。4溶膠-凝膠法通過液相化學(xué)反應(yīng)制備ZnO薄膜和納米顆粒。ZnO薄膜制備方法磁控濺射利用等離子體轟擊ZnO靶材，在基底上沉積均勻薄膜。適合大面積沉積。原子層沉積通過交替脈沖前驅(qū)體氣體，實現(xiàn)原子級精確控制的薄膜生長。電化學(xué)沉積在導(dǎo)電基底上通過電化學(xué)反應(yīng)沉積ZnO薄膜。可控制薄膜厚度和形貌。ZnO基發(fā)光二極管高效紫外光源利用ZnO寬禁帶特性，實現(xiàn)高效紫外發(fā)光。環(huán)保友好無毒無害，替代含汞紫外光源的理想選擇。壽命長ZnO材料穩(wěn)定性好，使用壽命長。成本低原材料豐富，制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低。ZnO基發(fā)光二極管原理電子注入電子從負極注入ZnO導(dǎo)帶?？昭ㄗ⑷肟昭◤恼龢O注入ZnO價帶。載流子復(fù)合電子與空穴在有源區(qū)復(fù)合。光子發(fā)射復(fù)合過程釋放能量，以光子形式輻射。ZnO基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)1p型半導(dǎo)體層通常使用GaN或NiO等p型材料。2ZnO有源層發(fā)光的核心區(qū)域，可摻雜以調(diào)節(jié)發(fā)光波長。3n型ZnO層提供電子，通常為本征n型或摻雜ZnO。4襯底常用藍寶石、硅或ZnO本征襯底。ZnO基發(fā)光二極管性能365nm發(fā)光波長典型紫外發(fā)光波長，可通過摻雜調(diào)節(jié)。20%外量子效率目前最高效率，仍有提升空間。10000h使用壽命連續(xù)工作時間，穩(wěn)定性良好。100mW輸出功率單個器件最大輸出功率。ZnO基發(fā)光二極管應(yīng)用消毒殺菌紫外光可有效殺滅細菌病毒，用于水處理和空氣凈化。防偽驗鈔紫外光下特殊熒光材料發(fā)光，用于鑒別真?zhèn)吴n票。生物醫(yī)學(xué)用于熒光顯微鏡和生物傳感器，提高檢測靈敏度。ZnO基激光二極管1高增益介質(zhì)ZnO具有高激子結(jié)合能，有利于室溫激射。2納米結(jié)構(gòu)優(yōu)勢ZnO納米線和納米帶可作為天然諧振腔。3紫外激光源可實現(xiàn)紫外波段的相干光輸出。4集成潛力可與硅基電路集成，推動光電子集成。ZnO基激光二極管原理1載流子注入電子和空穴分別注入導(dǎo)帶和價帶。2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級粒子數(shù)超過低能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3受激輻射光子誘導(dǎo)電子躍遷，產(chǎn)生相同相位光子。4光放大通過反復(fù)反射和放大，形成相干激光輸出。ZnO基激光二極管結(jié)構(gòu)1p型電極通常使用金屬如鎳或金。2p型包層常用GaN或NiO等寬禁帶p型材料。3ZnO有源層激光發(fā)射的核心區(qū)域。4n型ZnO層提供電子的n型摻雜ZnO層。5襯底常用藍寶石或ZnO晶體襯底。ZnO基激光二極管性能激射閾值目前室溫下電流密度閾值約為1kA/cm2。持續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量可進一步降低閾值。輸出功率單個器件最高輸出功率可達數(shù)十毫瓦。通過改進熱管理和提高注入效率，有望實現(xiàn)更高功率輸出。光譜特性典型發(fā)射波長在375nm附近，線寬小于1nm?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)ZnO組分和應(yīng)力狀態(tài)微調(diào)波長。ZnO基激光二極管應(yīng)用ZnO激光器在高密度光存儲、激光顯示、光刻和光譜分析等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。ZnO基太陽能電池高透明度ZnO在可見光區(qū)域高度透明，有利于光吸收。電子傳輸層ZnO作為優(yōu)良的電子傳輸材料，提高電池效率。納米結(jié)構(gòu)ZnO納米棒和納米線增加界面面積，提高光電轉(zhuǎn)換效率。低成本ZnO原料豐富，制備工藝簡單，降低太陽能電池成本。ZnO基太陽能電池原理光子吸收入射光子被吸收層吸收。電子-空穴對生成光子能量激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。載流子分離內(nèi)建電場將電子和空穴分離。載流子收集電子通過ZnO層被收集到電極。ZnO基太陽能電池結(jié)構(gòu)1透明導(dǎo)電氧化物通常為ITO或摻雜ZnO。2ZnO電子傳輸層可為平面薄膜或納米結(jié)構(gòu)。3光吸收層常用鈣鈦礦、量子點或有機材料。4空穴傳輸層如Spiro-OMeTAD或PEDOT:PSS。5金屬背電極通常使用金或銀。ZnO基太陽能電池性能25%光電轉(zhuǎn)換效率實驗室最高效率，商業(yè)化產(chǎn)品效率約15-20%。0.8V開路電壓典型開路電壓，可通過優(yōu)化界面提高。20mA/cm2短路電流密度高效ZnO基太陽能電池的典型值。0.75填充因子反映電池質(zhì)量，接近理想值0.8。ZnO基太陽能電池應(yīng)用建筑一體化透明ZnO太陽能電池可集成于建筑玻璃，實現(xiàn)美觀與發(fā)電兼顧。便攜設(shè)備用于智能手機、平板等便攜設(shè)備的自供電系統(tǒng)。航天航空輕質(zhì)、高效的ZnO太陽能電池適用于衛(wèi)星和無人機供電。ZnO基傳感器氣體傳感對多種氣體如NO2、H2S等具有高靈敏度。紫外光傳感利用ZnO寬禁帶特性，實現(xiàn)高效紫外探測。生物傳感表面功能化后可檢測特定生物分子。壓力傳感利用ZnO壓電效應(yīng)，實現(xiàn)高靈敏壓力檢測。ZnO基傳感器原理1表面吸附目標分子吸附在ZnO表面。2電荷轉(zhuǎn)移吸附過程導(dǎo)致ZnO表面電荷重新分布。3電阻變化ZnO材料電阻發(fā)生變化。4信號輸出電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。ZnO基傳感器結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)ZnO薄膜沉積在襯底上，兩端附電極。適用于大面積、低成本生產(chǎn)。納米線陣列垂直生長的ZnO納米線，增大比表面積。提高靈敏度和響應(yīng)速度。納米顆粒網(wǎng)絡(luò)ZnO納米顆粒形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。兼具高表面積和良好氣體擴散性。ZnO基傳感器性能1ppb檢測限某些氣體傳感器可達到的最低檢測濃度。100ms響應(yīng)時間典型氣體傳感器從暴露到信號穩(wěn)定的時間。300℃工作溫度最佳氣體傳感性能的操作溫度，努力降低中。90%選擇性通過表面修飾提高對特定氣體的選擇性。ZnO基傳感器應(yīng)用ZnO基透明電極高透明度可見光區(qū)域透過率超過90%。低電阻率摻雜后電阻率可低至10??Ω·cm?；瘜W(xué)穩(wěn)定性對酸堿和還原性氣氛具有良好的穩(wěn)定性。原料豐富鋅資源豐富，成本低于銦基透明電極。ZnO基透明電極原理摻雜引入施主雜質(zhì)如Al、Ga等。載流子產(chǎn)生雜質(zhì)提供自由電子。能帶調(diào)制費米能級上移，進入導(dǎo)帶。電導(dǎo)率提高自由電子濃度增加，電導(dǎo)率提高。ZnO基透明電極結(jié)構(gòu)1表面鈍化層提高穩(wěn)定性和抗腐蝕性。2摻雜ZnO層主要導(dǎo)電層，通常為Al或Ga摻雜。3本征ZnO緩沖層改善與襯底的晶格匹配。4襯底玻璃、塑料或其他功能層。ZnO基透明電極性能90%透過率可見光區(qū)域平均透過率。10Ω/□方塊電阻典型方塊電阻值，可通過工藝優(yōu)化進一步降低。3.7eV禁帶寬度保證可見光高透過率的同時具有良好導(dǎo)電性。1000h穩(wěn)定性在85℃/85%RH環(huán)境下的老化時間。ZnO基透明電極應(yīng)用太陽能電池作為前電極，提高光電轉(zhuǎn)換效率。觸摸屏用于智能手機、平板等設(shè)備的觸控層。顯示器LC