30882

مطالعه و بررسي اثر پيزو-فوتوترونيك در نيمه‌هادي‌هاي نانوساختار به منظور عملكرد بهتر در قطعات اپتوالكترونيك

دكتري تخصصي (PhD)

فيزيك- اپتيك و ليزر

1397

1402/10/24

بيژن غفاري قمي

شهاب نوروزيان علم

فيزيك

در اين پژوهش دو هدف اصلي يعني الف) ساخت نانوژنراتور پيزوالكتريك و ب) بررسي اثر پيزو-فوتوترونيك بر عملكرد آشكارساز نوري فرابنفش دنبال شده است. به منظور دستيابي به هدف اول ابتدا لازم دانستيم تا تعريفي از خاصيت پيزوالكتريك مواد و كاربردهاي آن به خصوص ساخت نانوژنراتور پيزوالكتريك ارائه دهيم. پس از بررسي ها و مقايسه هاي انجام شده بين مواد نيمه هادي كه داراي خاصيت پيزوالكتريك مي باشند، نانوسيم اكسيدروي براي ساخت نانوژنراتور پيزوالكتريك در اين رساله انتخاب شد. سنتز و رشد نانوسيم هاي اكسيدروي به روش هيدروترمال بر روي زيرلايه ي منعطف PET/ITO انجام گرفت. به منظور بهبود خاصيت پيزوالكتريك نانوسيم ZnO، پارامترهايي از قبيل مقدار حجم محلول رشد موجود در اتوكلاو و نحوه ي حرارت دهي طي فرايند هيدروترمال، مورد مطالعه و بررسي قرار گرفتند و مقادير بهينه ي پارامترهاي مذكور پس از انجام مشخصه يابي ها و آناليزهاي مورد نياز به دست آمد. نتايج به دست آمده نشان دادند كه نانوسيم هاي منظم اكسيدروي با ساختار بلوري با كيفيت بر روي زيرلايه ي منعطف PET/ITO رشد يافتند. در نهايت جهت بررسي عملكرد نانوژنراتور مذكور، تست هاي پيزوالكتريك انجام گرفت. در بخش دوم از اين پروژه اثر پيزو-فوتوترونيك مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت و به صورت تئوري توضيحات مفصل ارائه شده است كه چگونه اين اثر مي تواند بر عملكرد قطعات اپتوالكترونيك به خصوص آشكارسازهاي نوري موثر باشد. براي اثبات اين ادعا به صورت تجربي، ابتدا آشكارساز نوري فرابنفش منعطف مبتني بر نانوسيم اكسيدروي ساخته شد. براي اين منظور ابتدا نانوسيم هاي منظم اكسيدروي و ساختار كامپوزيت ZnO/PPy بر روي پارچه ي كربني به روش الكتروشيميايي رشد يافتند. سپس آناليزهاي مورد نياز جهت بررسي نمونه هاي ساخته شده انجام گرفت. با اعمال كرنش هاي كششي و فشاري اثر پيزو-فوتوترونيك بر عملكرد آشكارساز فربنفش مذكور مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد كه براي ساختار مورد نظر و با چيدمان تعريف شده در اين پژوهش، اعمال كرنش فشاري مي¬تواند منجر به بهبود عملكرد آشكارساز نوري فرابنفش با ساختار مذكور شود.

1403/02/30

Investigation of the piezo-phototronic effect in nanostructured semiconductors to improvement performance of the optoelectronic devices

1/1/1900 12:00:00 AM

In this work, two main aims have been investigated: a) the fabrication of a piezoelectric nanogenerator and b) the investigation of the piezo-phototronic effect on the performance of the UV photodiode. In order to achieve the first aim, a definition of the piezoelectric property of the material and its applications, especially the fabrication of the piezoelectric nanogenerator, was presented. After the comparisons between semiconductor materials that have piezoelectric properties, zinc oxide nanowires were chosen to fabricate a piezoelectric nanogenerator. Synthesis and growth of the ZnO nanowires was performed by the hydrothermal method on flexible PET/ITO substrate. To improve the piezoelectric property of the ZnO nanowires, some parameters such as the volume of the growth solution in the autoclave during the hydrothermal process were discussed and investigated for the first time, and the optimal values of the mentioned parameters were determined after SEM, XRD and I-V analysis. The obtained results showed that well-aligned ZnO nanowires with high quality crystal structure were grown on the flexible PET/ITO substrate. Finally, after performing the piezoelectric charactrization, it was found that under the application of an external force, the piezoelectric voltage and current equal to 0.85 mV and 44 μA were obtained, respectively, which are comparable with previous research of similarly fabricated devices based on ZnO nanostructure. In the second part of this project, the piezo-phototronic effect was studied and it was theoretically shown how it can affect the performance of the optoelectronic devices, especially photodiodes. To prove this claim, first, a flexible UV photodiode based on ZnO nanowire was fabricated. For this purpose, well-aligned ZnO nanowires and ZnO/PPy composite were grown on the carbon clothe substrate by electrochemical method. Then, SEM, XRD, UV-Vis, and I-V analyzes were performed in to characterize the structural, optical and electrical properties of the UV photodiode. Finaly, by applying external tensile and compressive strains, the piezo-phototronic effect on the performance of the UV photodiode was investigated and it was found that for the desired structure and with the arrangement defined in this research, applying compressive strain can lead to improve the performance of the ZnO/CC and ZnO/PPy-based UV photodiode.

پيزوالكتريك , پيزو-فوتوترونيك , نانوژنراتور , نانوسيم‌هاي اكسيدروي , آشكارساز نوري فرابنفش

Piezoelectric , Piezo-phototronic , Nanogenerator , ZnO Nanowires , UV-C photodetector

Hamidreza Mazandarani

Dr. Bijan Ghaffari