氧化鋅柔性紫外探測器開放性實驗設計

邱 宇，趙 宇，王曉娜，張瑩瑩

(大連理工大學 物理學院，遼寧 大連 16024)

實驗教學是大學教育中極其重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生自主學習、獨立觀察、分析、發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力尤為重要[1-2]。傳統(tǒng)的實驗教學多以驗證性實驗項目為主，學生只要按照實驗步驟，就可以按部就班地完成實驗任務，該教學過程只注重了共性的發(fā)展，而忽視了學生個性及主動探索欲望的培養(yǎng)[3-5]，這種傳統(tǒng)的實驗教學模式已不適應個性化人才培養(yǎng)的需要。與傳統(tǒng)實驗教學模式不同，開放性實驗是學生根據(jù)要求設計實驗方案，并驗證方案可行性的自主性探究，它在時間、內(nèi)容和實驗室資源等方面對學生全面開放。研究表明，開放實驗教學可以滿足學生個性化探索性實踐的需求，大大調(diào)動了學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)[4-6]。

近年來，我校電子專業(yè)實驗室在實驗教學之余，有針對性地面向本專業(yè)學生開放，鼓勵學生進行創(chuàng)新設計實驗。所擬定的項目大部分是對教學大綱中實驗教學內(nèi)容的補充與拓展。實驗教師將具有開放性的實驗項目作為配合本科專業(yè)實驗教學的內(nèi)容，豐富學生的思維，提高學生靈活運用科學知識的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與實踐能力[7-8]。紫外探測器是物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器的重要一類，主要是指通過光敏材料或其他材料將環(huán)境中紫外光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換器件，目前已經(jīng)廣泛地應用于導彈火箭發(fā)射、武器跟蹤、紫外通信、火災檢測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學治療等領(lǐng)域[9-10]。ZnO紫外探測器是新一代半導體紫外探測器的代表，克服了傳統(tǒng)紫外探測器的局限性，具有光譜響應好、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，開辟了紫外探測技術(shù)的新領(lǐng)域[11-13]。在本專業(yè)實驗教學中，對于光電探測領(lǐng)域，只有一個“光電探測器光譜響應”驗證型實驗內(nèi)容，學生只需要按照實驗要求就可以得到相應的結(jié)果,故在學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面顯得不足。為此，近期以“MSM結(jié)構(gòu)的ZnO紫外探測器”作為光電探測領(lǐng)域的開放性實驗項目，加深學生對相關(guān)領(lǐng)域知識的理解。

1 實驗內(nèi)容的設計與實施

本開放性實驗的主要目的是制備出基于MSM結(jié)構(gòu)的ZnO柔性紫外探測器。為了讓學生深入了解光電探測器的結(jié)構(gòu)、工作原理、制備工藝等，圍繞ZnO納米陣列的生長、紫外探測器的制備與表征等內(nèi)容，建立開放性實驗項目，利用課余時間，指導學生參與相關(guān)科學研究。在現(xiàn)有實驗室提供的實驗條件基礎(chǔ)上，由學生自行設計實驗方案和計劃、研制實驗設備、完成實驗內(nèi)容，并寫出實驗報告，然后擇優(yōu)發(fā)表論文，全面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研能力。

1.1 ZnO紫外探測器的制備

(1)實驗材料及試劑的準備。ZnO靶材，尺寸為Φ60 mm×3 mm；乙酸鋅(Zn(CH3COO)2·2H2O，98%)和六次甲基四胺(C6H12N4，99%)粉末按照1∶1摩爾的比例配制50 mL的混合溶液，溶液濃度為40 mm/L；聚酯纖維襯底尺寸為1 cm×1 cm，依次經(jīng)甲苯、丙酮、乙醇分別超聲清洗10 min，再用去離子水反復沖洗，烘干1 h，備用。

(2) 實驗內(nèi)容實施過程。采用射頻磁控濺射在清洗干凈的聚醋纖維襯底上生長一層致密、連續(xù)的ZnO籽晶層。生長條件：氬氣壓強為3.5 Pa，射頻功率為180 W，襯底溫度為室溫，濺射時間為10～15 min。將長有ZnO籽晶層的聚酯纖維襯底垂直放入裝有配制溶液的反應釜當中。然后將反應釜嚴格密封，并放入烘箱內(nèi)生長，生長溫度為100 ℃，生長時間為3 h。待反應結(jié)束后，從烘箱中取出反應釜并降至室溫后，最后將樣品取出，用去離子水反復沖洗、烘干。采用導電銀漿作為金屬電極，均勻地涂抹在上述樣品的兩邊，距離約為5 mm。然后，用準備好的導線從兩側(cè)導電銀漿引出電極，將樣品放入烘箱中烘烤30 min；最后采用PMMA對器件進行封裝，完成ZnO紫外探測器的制備。

這部分實驗內(nèi)容要求學生掌握ZnO納米陣列的制備方法和外探測器的制備工藝，了解ZnO納米陣列的生長機理，引導學生分析不同生長條件對ZnO納米陣列形貌的影響。并能夠在多種不同襯底上制備出高質(zhì)量的ZnO納米陣列。圖1為MSM結(jié)構(gòu)ZnO紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 MSM結(jié)構(gòu)ZnO紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)果表征與引導性分析

1.2.1 掃描電子顯微鏡的表征與分析實驗

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對制備樣品的表面形貌進行表征分析。圖2是在聚酯纖維柔性襯底上生長ZnO納米陣列的SEM圖像。從圖像中，可以看到ZnO納米線均勻地覆蓋在聚酯纖維襯底表面，納米線生長致密，具有良好的取向性。單根納米線頂端呈六方形結(jié)構(gòu)，進一步驗證了生長所得ZnO納米線為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。這部分實驗內(nèi)容要求學生了解納米結(jié)構(gòu)的制備過程，并且熟練掌握磁控濺射和化學水熱法等基本實驗方法。除此之外，通過提出問題，例如“在水熱法生長過程中，ZnO籽晶層所起到的作用是什么”“不同生長條件(溫度、時間、溶液濃度等)如何影響納米結(jié)構(gòu)的形貌”等，引導學生對納米結(jié)構(gòu)的生長過程及其生長機制的理解進行深入的思考。

圖2 在聚酯纖維柔性襯底上生長ZnO納米陣列的SEM圖像

1.2.2 ZnO紫外探測光電特性測試實驗

采用4200-SCS半導體綜合測試系統(tǒng)分別測量器件的電學特性以及光學響應曲線。圖3為無紫外光照射和有紫外光照射情況下，測得的ZnO紫外探測器的電流特性。從圖3中可以看到，在無紫外光照射時，I—V特性曲線呈現(xiàn)中心對稱性。根據(jù)文獻可知，銀與ZnO納米線形成肖特基接觸，所制作的紫外探測器件(Ag-ZnO-Ag)為兩背對背肖特基結(jié)。當探測器受到紫外光照時，同一電壓下，光電流明顯增大。采用4200-SCS半導體綜合測試系統(tǒng)對器件的I—T光學響應曲線，如圖3所示，所加偏壓為3 V。可以發(fā)現(xiàn)，當通過打開UV紫外開關(guān)時，器件的光電流增加；而當關(guān)閉UV紫外開關(guān)時，器件的光電流很快衰減到穩(wěn)定值。從圖3中可以看出，ZnO紫外探測器具有良好的穩(wěn)定性。基于聚酯纖維柔性襯底的ZnO紫外探測器為未來便攜式、可穿戴紫外探測器器件開辟了新的天地，讓紫外探測器從傳統(tǒng)“硬襯底”延伸至更多柔性襯底，如紙、高分子聚合物等，展現(xiàn)了紫外探測器在不同應用場景中的應用潛力。

圖3 ZnO紫外探測器I—V特性曲線

本實驗要求學生在掌握ZnO紫外探測器光電特性的同時，了解MSM型紫外探測器的工作原理。在完成這部分實驗過程中需要學生對實驗中觀察到的現(xiàn)象和測量數(shù)據(jù)進行整理和歸納，而指導教師需要結(jié)合“半導體物理”“半導體器件”等理論課程內(nèi)容，引導學生對當下測量的結(jié)果進行探討與分析。例如：在外界光照情況下，半導體中載流子發(fā)生怎樣變化，并且如何影響MSM型能帶結(jié)構(gòu)的？改變了基勢壘高度，如何影響光生電流？在撤銷光照后，影響光生載流子開始復合的因素有哪些？通過這一系列問題引導性分析，學生就會對紫外探測器的整個工作機制有深入的了解。根據(jù)提出的問題，教師引導學生進行深入思考，結(jié)合理論知識給學生解答，加深對MSM型紫外探測器的工作機制的認識，充分調(diào)動學生的積極性。

2 開放性實驗教學模式的實施效果

開放性實驗教學項目，構(gòu)建以學生為中心的教學模式，不僅解決了傳統(tǒng)實驗中學生實驗時間受限的問題，而且使得學生在實驗中從被動變?yōu)橹鲃印Ｍㄟ^讓學生獨立完成實驗方案的設計、數(shù)據(jù)處理和論文寫作等多方面練習，將所學理論知識運用到實踐當中，從根本上提高了學生的創(chuàng)造性思維能力和綜合素質(zhì)。

開放性實驗教學在顯示出其獨特優(yōu)勢的同時，也出現(xiàn)了一些問題，主要體現(xiàn)在2方面:

(1) 開放性實驗項目的內(nèi)容太少，供給學生開放實驗的平臺有待建設。

(2) 學生參與度低。由于學生是自愿選擇開放實驗項目，往往只有很少學生愿意選擇這一沒有學分的開放實驗內(nèi)容。這些都需要學校給予大量的支持，讓更多教師參與開放性實驗建設，讓更多學生從中受益。

3 結(jié)語

開放型實驗教學是一種新型的實驗教學方式，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力等環(huán)節(jié)具有重要作用，突破了傳統(tǒng)的實驗教學模式，極大增強了學生的主動性。 “MSM型氧化鋅紫外探測器”開放性實驗項目，是對現(xiàn)有本科專業(yè)課程進行拓展與補充，在讓學生對光電探測器的結(jié)構(gòu)與特性、工作原理、制備工藝等知識有較為全面認識的同時，拓寬了學生的視野，提高了學生靈活運用科學知識的能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維與實踐能力。