单根紫外光敏TiO2纳米管电输运性质研究

由于TiO2纳米结构对太阳光（尤其是紫外光）的敏感吸收，采用电化学方法制备TiO2纳米管阵列太阳能电池已引起国内外的广泛关注。如何非破坏性地获得分散的单根TiO2纳米管，并将其应用于微纳光电子领域（比如制备高性能紫外探测器），是一个具有相当应用前景和挑战性的课题。.我们采用有效的化学方法超声处理，获得了单分散的TiO2纳米管，并对其微结构进行了详尽的表征。采用微加工技术（电子束曝光、离子束沉积）在单根TiO2纳米管上制备两电极结构（Ti/TiO2/Au背靠背肖特基二极管结构），研究其电输运性质和光电池特性。在紫外光源的照射下，TiO2纳米管表现出良好的光控开关特性（电阻随光照强弱变化明显）。.我们将解决以下关键问题：.（1）得到单根TiO2纳米管能够表现出稳定可靠紫外光控开关性质的光能量阈值；.（2）研究单根TiO2纳米管紫外光敏特性对温度的依赖关系。

金属氧化物纳米结构在太阳能电池、光催化、气体传感等领域有重要的应用前景。本课题选择单根二氧化钛纳米管作为研究对象，强调获得单分散纳米管的技术优势，利用微电极制备技术测试其紫外光电响应特性。采用电化学方法在钛基底上制备出形貌高度一致的TiO2纳米管阵列，完成SEM、TEM、Raman、光吸收特性、荧光发射特性等基本表征。测试纳米管薄膜的交流湿度传感特性，建立了纳米管薄膜电阻、电容随外界湿度和激励信号频率变化的微观模型，指出TiO2纳米管薄膜适用于制备高灵敏度湿度传感器。我们认为：在高湿度环境下，TiO2表面吸附的H2O分子会发生电离反应；而且TiO2表面吸附的水分子还可以使得原来吸附的氧分子解吸附，从而释放出一定数量的自由电子。正是由于更多自由电子、质子的出现，使得TiO2纳米管薄膜的电导率增减；而更多偶极子参与极化过程使得TiO2介质的宏观介电常数增大。随着激励信号频率的增加，电子输运基本不变，但是离子输运能力变强，可导致TiO2纳米管薄膜电导变大。.我们研究了单根纳米管在变温（5-300K）条件下的电输运性质，指出无序体系莫特二维跳跃输运模型（Mott 2D hopping transport model）对于解释其电输运性质是合适的。将单分散的二氧化钛纳米管在室温下于去离子水中浸泡72小时之后，其表面形貌发生明显变化：原来光滑的非晶管状外壁变成海绵状的结构，甚至可能变成絮状结构；非晶结构逐渐变成结晶态TiO2纳米颗粒。通过对比单根纳米管与纳米管薄膜在紫外光照下的光电导响应，发现单根纳米管具有响应速度快、响应倍数小的特点。实验结果表明：水处理后单根二氧化钛纳米管的UV响应时间从0.39s上升到7.5s，光电增益G从1.6倍上升到21.7倍。在表面吸附水分子作用下，纳米管表面形成深度氧化的纳米颗粒，降低了了光生电子-空穴对的复合速率。我们还研究了ZnO纳米薄膜的电化学制备及光电特性研究，讨论了在“背靠背”肖特基二极管结构中电压的分配规律，指出ZnO纳米薄膜在高灵敏度在紫外探测器方面的潜在价值。.我们严格按照经费预算，合理利用资源，完成了常压CVD系统的真空改造，购置了用于测试光电响应特性的先进仪表。项目组成员共完成了5篇SCI论文，培养硕士研究生6人（已经顺利毕业4人），协助培养博士生2人。总之，在研究内容、研究成果、人才培养及实验室建设诸方面，均完成预期目标。