创新点：中国清华大学集成电路学院任天令教授团队的赵云飞博士和合作者通过使用金纳米颗粒（AuNP）和多层石墨烯对在掺杂氟的氧化锡玻璃（FTO）基底上生长的氧化锌纳米花进行修饰，发现石墨烯和金纳米颗粒的等离子激元共振效应可以极大增强氧化锌纳米花的紫外光电特性，并提高其光响应速度。
关键词：Physica Status Solidi – Rapid Research Letters，氧化锌，金纳米颗粒，石墨烯，清华大学
具有纤锌矿结构的氧化锌由于具有独特的光电性质，近年来引起了人们极大的研究兴趣，其宽禁带（3.37 eV），高激子束缚能（60 meV）使得其在光电领域拥有重要的应用价值，如用作紫外光电探测器、紫外激光器、发光二极管（LED）等，而这些器件可被广泛应用于火焰警报器、臭氧层监测，以及天文学等领域。氧化锌的禁带宽度所对应的辐射波长为~370 nm，但由于其内部和表面往往含有较多杂质和缺陷，如氧或锌的间隙原子或空位，这些缺陷会产生深能级，俘获导带电子并使导带电子数量减少，从而使氧化锌的紫外光致发光和光电流降低，对氧化锌器件的性能产生不利影响。如果能消除深能级对导带电子产生的不利作用，将有助于氧化锌器件性能的提高。
清华大学集成电路学院博士后赵云飞在合作导师任天令教授的指导下，与合作者通过使用金纳米颗粒（AuNP）和多层石墨烯对在掺杂氟的氧化锡玻璃（FTO）基底上生长的氧化锌纳米花进行修饰，发现石墨烯和AuNP的等离子激元共振效应可以极大增强氧化锌纳米花的紫外光致发光和光电流响应率，并提高其光响应速度。相关结果发表在Physica Status Solidi – Rapid Research Letters上。
本文所采用的氧化锌为水热法制备，其制备条件温和，成本低廉；生长基底为FTO导电玻璃，生长出的氧化锌呈纳米花状。由于紫外线在入射时，可在花瓣和花蕊之间来回反射，因此这一结构可增加氧化锌对紫外线的吸收。氧化锌的深能级所俘获的导带电子在于价带空穴复合时会发射宽谱可见光，其中心波长约为~530 nm，而这一宽谱可见光的波长范围与直径20 nm的AuNP的等离子激元共振波长相重合，因此若将氧化锌用AuNP修饰，AuNP便可吸收氧化锌深能级产生的可见光辐射，产生等离子激元共振，使得AuNP内部的电子获得远高于可见光波长所对应的能量。这种因等离子激元共振而产生的高能态电子可越过AuNP与氧化锌之间所形成的的肖特基结，并直接泵浦入氧化锌的导带，增加其导带电子数量，提高氧化锌器件的紫外光电性能。而如果在此体系中加入石墨烯，其不仅可以与AuNP产生耦合共振，进一步增大等离子激元共振的强度，还由于石墨烯具有极高的电子迁移率，所以可以加快器件的光响应速度；此外，石墨烯由于具有良好的透明性，可以将器件结构从传统的叉指电极结构，改变为下电极为FTO导电玻璃，中部为AuNP修饰的氧化锌纳米花，上电极为石墨烯的三明治结构，从而增大器件的有效面积。在该工作中制备的石墨烯-AuNP共同修饰的氧化锌纳米花器件达到了1650 A/W的超高光电流响应率和~7 ms的光响应时间，比不经修饰的氧化锌（2.98 A/W光电流响应率，数十秒响应时间）有了大幅提高。这一鼓舞人心的结果使本文的研究者相信，该项研究工作对以低廉价格生产高性能氧化锌紫外光电器件具有重要意义，该器件在深空探测和通讯、火灾预警、气象学、天文学等诸多领域拥有广泛的应用前景。
论文信息：
Enhancing the Ultraviolet Photocurrent and Response Speed of Zinc Oxide Nanoflowers using Surface Plasmons of Gold Nanoparticles and a Graphene Membrane
Yunfei Zhao, Hainan Zhang, Xiaoming Wu, Yi Yang, Tian-Ling Ren*
Physica Status Solidi – Rapid Research Letters
DOI: 10.1002/pssr.202000512
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