基于稀土掺杂介孔ZnO的薄膜光电传感器的关键技术研究

Zinc oxide(ZnO) belongs to one of the cost-effective and widely distributed semiconductor materials, which can generate the efficient interface with sensitizing dyes to separate electron-hole pairs under light excitation.In this project, we try to build a thin film photoelectronic sensor based on mesoporous ZnO nanoparticles, and study the influence mechanism of mesoporous structure and rare earth ions doping of ZnO nanoparticles on photoelectron yield in depth, and reveal the key parameters which determine the photoelectric response rate and efficiency of thin film sensor.The defects and charge environment change induced by the rare earth doping in ZnO are studied according to the in situ substitution of the ions and gap doping; the influence of various types of rare earth ions doping on the absorption wavelength and mechanism is revealed; the best photoelectric conversion efficiency is achieved by the the regulation of pore structure and porosity in ZnO nanoparticles; the optimum doping concentration and pore structure are determined through the model calculation.To study the product change of electron-hole separation in porous ZnO nanoparticles under light excitation with ultrahigh magnetic field and ultralow temperature, and determine the dependence of photoelectronic conversion efficiency on the interfaces between ZnO/dyes on the temperature and magnetic field, which supply the application of ZnO based ultra-sensitive photoelectronic sensors in space and other extreme conditions with theroretical support.

氧化锌(ZnO)是一类容易获得且廉价的半导体材料，其与敏化染料形成的界面具有优异的光电子转换效率。本项目拟基于ZnO介孔纳米颗粒构建薄膜光电传感器，深入研究ZnO纳米颗粒的介孔结构、稀土离子掺杂及铺膜参数对光电子产率的影响机制，揭示决定薄膜传感器光电响应速率和效率的关键参数。基于离子原位取代和间隙掺杂理论，研究稀土掺杂在ZnO基体中形成的缺陷及电荷环境的变化；研究稀土离子掺杂种类对ZnO多孔纳米颗粒吸收波长的调节效果及机理；调控ZnO纳米颗粒的孔结构和孔隙率，实现最佳光电转换效率；通过模型计算确定最佳铺膜密度和厚度。研究ZnO多孔纳米颗粒/染料界面的电子-空穴对产率的关键因素在超低温和强磁场环境下的变化，建立极端条件下ZnO/染料界面光电子转换效率对温度和磁场的依赖关系，为推广ZnO基超灵敏光电传感器在太空及其它极端恶劣环境中的应用提供理论支持。

ZnO半导体材料因其具有快速的光响应、良好的化学稳定性、优异的生物相容性，可以作为光电传感器的合适材料之一。稀土元素由于其特殊的原子壳层结构而具有优异的磁学和光学特性。因此，稀土元素掺杂的ZnO半导体受到国内外研究者的广泛关注。项目基于ZnO介孔纳米颗粒构建薄膜光电传感器，深入研究ZnO纳米颗粒的介孔结构、稀土离子掺杂及铺膜参数对光电子产率的影响机制，揭示决定薄膜传感器光电响应速率和效率的关键参数。基于离子原位取代和间隙掺杂理论，研究稀土掺杂在ZnO基体中形成的缺陷及电荷环境的变化；研究稀土离子掺杂种类对ZnO多孔纳米颗粒吸收波长的调节效果及机理；调控ZnO纳米颗粒的孔结构和孔隙率，实现最佳光电转换效率；通过模型计算确定最佳铺膜密度和厚度。研究ZnO多孔纳米颗粒/染料界面的电子-空穴对产率的关键因素在超低温和强磁场环境下的变化，建立极端条件下ZnO/染料界面光电子转换效率对温度和磁场的依赖关系，为推广ZnO基超灵敏光电传感器在太空及其它极端恶劣环境中的应用提供理论支持。项目取得了以下主要研究成果：（1）建立稀土掺杂 ZnO 介孔纳米颗粒的稀土掺杂及介孔结构与光电子产率和响应速度之间的定性定量关系，揭示磁场和温度对光电性能的影响规律。（2）揭示染料敏化ZnO 多孔纳米颗粒的光响应波长在强磁场和超低温下的变化规律。（3）基于稀土掺杂ZnO 多孔纳米颗粒构建光响应传感器，研究稀土掺杂ZnO 多孔纳米颗粒的多孔结构和稀土掺杂对整个传感器的光响应的影响因素及规律，探索其在超低温和高磁场环境下的运行稳定性。因此本项目的研究具有重大的科学意义和应用价值，对于ZnO基光电传感器商业化进程具有推动作用，在民用经济、航空航天以及军事领域具有极其广阔应用前景。