基于不同退火保温时间制备的一维金属氧化物晶体管电子传输特性的研究

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一维金属氧化物半导体纳米纤维(nanofibers,NFs)由于其特殊的化学和物理性质已经被广泛用于光电探测、化学和气体传感、显示器件等领域。在一维金属氧化物半导体NFs材料中,SnO2具有大的比表面积、较宽的带隙等优点,被广泛用于光电以及气体传感等领域,然而目前SnO2场效应晶体管(field effect transistor,FET)仍然存在着阈值电压过负、能量消耗较高等亟待解决的问题。针对以上问题,我们通过简便易行的静电纺丝工艺制备了SnO2 NFs,并通过改变NFs的退火保温时间来调控金属氧化物纳米纤维晶体管(NFs FET)的电子传输特性。主要研究工作和成果如下:(1)利用静电纺丝技术制备了SnO2 NFs,通过简单地改变NFs的退火保温时间,控制NFs中的晶粒尺寸,成功地实现了SnO2 NFs FET电学性能的精确控制,获得了高性能增强型(enhancement mode,E-mode)场效应晶体管。其中,最佳退火保温时间为60 min时,NFs中的晶粒直径约为11 nm,所构筑的器件表现出最佳的电学性能,包括较小的正阈值电压(VTH)(≈2.2 V),较大的开关电流比(Ion/Ioff)≥106和可观的载流子迁移率(μFE)(≈2.3 cm2V-1s-1),成功地解决了SnO2NFs晶体管存在的开关电流比较低、阈值电压较负和能量消耗较高等问题。并且,所制备的NFs FET具有良好的循环稳定性,经过连续50次循环测试后晶体管的电学性能非常稳定,几乎没有发生变化。(2)为了验证改变NFs的退火保温时间可实现对多种金属氧化物NFs FET的电子传输特性的调控,我们通过静电纺丝工艺制备了ZnO NFs,研究了纤维的退火保温时间对ZnO NFs FET的电学性能的影响。同样的,在退火保温时间为60 min时,ZnO NFs FET也表现出了最佳的电学性能,阈值电压仅为0.88 V,开关电流比能够达到106以上,并且具有优异的载流子迁移率(≈5.39 cm2V-1s-1)。本实验验证了通过改变退火保温时间调控金属氧化物NFs FET电学性能的方法具有普适性。
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