一维(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米结构带隙轴向梯度调控及波长选择性探测研究

The accurate detection of unknown wavelength light using one-dimensional semiconductor nanomaterials presents promising applications in nano-optoelectronic devices. However, it is still a challenge to recognize the wavelength of an unknown monochromatic light with a single nanomaterial. In order to resolve this problem, in this proposal, (GaN)1-x(ZnO)x solid solution nanowires with band-gap changing along the axial direction will be first synthesized by the rational design of energy band structure. The ZnO content with respect to the band-gap, crystal structure and photoelectric properties of (GaN)1-x(ZnO)x solid solution nanowires will be investigated in detail. Furthermore, the influence of band-gap gradient distribution on the photo-carrier dynamics and photoelectric conversion performance will also be explored. It is envisioned that these findings will greatly benefit to 1D nano-photodetector devices, which could efficiently perform the wavelength selective detection. Then, we will fabricate a nanostructure photodetectors to realize the wavelength-selective detection with only a single nanowire. This study will not only provide a new idea for the axial gradient regulation of one-dimensional nanostructured, but also offer a feasible method for the structural design and wavelength accurate detection by one-dimensional nano-photodetectors. We believe this study has an important research value and promising applications.

利用半导体纳米材料对未知光波长的精准探测一直都是纳米光电器件研究领域的热点和难点问题之一，目前还难以在单根一维纳米材料上实现对未知单色光波长的准确探测。本课题拟从材料的能带结构设计出发，通过控制一维(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线轴向不同区域ZnO固溶度的变化，获得带隙沿轴向梯度可调的固溶体纳米线。重点研究ZnO固溶度沿纳米线轴向梯度变化与(GaN)1-x(ZnO)x固溶体带隙、晶体结构和光电学性能之间的关系，探明带隙梯度分布对(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线光生载流子动力学及光电转换性能的影响规律。在此基础上，构建一维纳米光电探测器，实现单根(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线对未知单色光波长的精准探测。这一研究不仅为一维半导体纳米结构带隙轴向梯度调控提供新的思路，也为一维纳米光电探测器的结构设计和波长精准探测提供切实可行的研究方案，具有重要的理论和实际应用研究价值。

一维半导体纳米光电探测器在光波通讯、未来光存储和环境监测等方面有着非常重要的应用价值及科学研究意义。然而，由于天然半导体材料自身带隙的离散性和随机分布性，使得其在波长选择性光电探测器的材料选取方面困难重重。因此，在本项研究中我们利用化学气相沉积的方法，通过改变反应条件制备了ZnO含量为5.4%、9.6%、15.2%且长度大于5 μm的(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线。研究了纳米线光响应性能与ZnO固溶度和光学带隙之间的关系，实现了通过简单调节ZnO含量来获得(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线的光谱选择性探测。另外，通过在反应过程中改变Zn源的蒸发速率（Ga源蒸发速率不变），成功制备了ZnO固溶度沿轴向梯度变化的(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线。其ZnO固溶度可从纳米线顶端的2.3%调控至纳米线底端的9.6%。而且，随着ZnO固溶度的增加其微区阴极射线发光峰从纳米线的顶部至低部也有着明显的红移，实现了带隙沿轴向梯度变化的 (GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线的制备。同时，我们对该纳米线在紫外光和可见光区域的光电响应性能也进行了系统地研究。最后，我们还通过液态Ga金属的引入制备了自催化生长的(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米带和二维(GaN)1-x(ZnO)x纳米片，通过改变ZnO固溶度，同样实现了其光学带隙和光电性能的调控。该项目的研究为一维(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线、纳米带和二维(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米片的制备和带隙调控提供了重要的实验结果。此外，单根带隙轴向梯度变化纳米线的合成不仅打破了现有一维(GaN)1-x(ZnO)x固溶体纳米线的带隙调控只能在不同的纳米线上实现的技术局限，并可为其他体系的固溶体材料实现带隙的梯度调控提供新思路。