氧化钨纳米阵列的制备与紫外光电探测研究

（湖北大学 铁电压电材料与器件湖北省重点实验室 物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062）

在众多过渡族氧化物中，氧化钨由于具有独特的物理和化学性质而备受关注。由于钨原子外层电子结构为具有d电子亚层的5d46s2结构，钨具有+2、+3、+4、+5和+6等多重氧化态，化学式主要有WO3、WO2、W18O49、W20O58、WO2.75等形态，通常写成WO3–x形式[1-2]。同时，由于氧化钨晶体内氧空位诱导的晶格变形，氧化钨存在单斜相、三斜相、正交相、四方相和立方相等多达几十种的晶体结构[3]。氧化钨是非常重要的功能材料，具有光致变色、电致变色、气致变色等特性，可以用来制作智能窗[4]；同时在气敏、光催化、光电化学电池等领域有应用前景[5-7]。种类繁多的氧化价态和晶体结构给氧化钨纳米材料的研究带来丰富的内容，但是合成形貌均匀、价态均一的氧化钨纳米材料仍是一大挑战[7-8]。

紫外光电探测器在光开光、空间科学、生物医学、水净化处理、火焰探测和光电器件等领域都有广泛的应用。目前主要使用的紫外探测器以紫外真空管、光电倍增管等为主，但这类器件普遍存在结构复杂、体积庞大和高功耗等缺点。基于宽禁带半导体材料的紫外光电探测器，因体积小巧、工艺简单、对可见光不响应和室温可工作等优势而逐渐受到关注。氧化钨是一类典型的半导体氧化物材料，其禁带宽度Eg=2.6 eV，属于宽禁带半导体领域。由于氧化钨属于间接带隙的半导体材料，其在短波长的光辐射性能比直接带隙的宽禁带半导体（如氧化锌、氮化镓和硫化镉等）要弱。但氧化钨的价带能级位置高达3.0 eV（相对标准氢能级NHE，Normal Hydrogen Electrode），具有非常好的化学稳定性，可以耐光电化学腐蚀，在紫外光辐射探测领域具有重要的研究前景。

本文中采用真空热蒸发法在硅片上实现了大面积、形貌均匀的氧化钨纳米线阵列的合成，研究了利用介电泳技术实现单根氧化钨纳米线的定向排布，并对氧化钨纳米线的紫外光电响应性能进行了研究。

1 实验

本实验以钨粉为起始反应原料，采用真空热蒸发法在引入少量氧气的情况下，通过钨粉的氧化、升华和沉积，实现氧化钨纳米线的合成。实验装置示意图和实物图如图1所示。整个系统包括真空系统、加热系统、进气控制系统、温度测量系统和循环水冷系统。真空系统包括机械泵和数显真空测量计，极限真空约0.1 Pa。加热系统为铜蒸发电极，钨舟(120 mm×20 mm×0.3 mm)和加热控制电路。进气控制系统包括两路气体流量控制器和显示器，一路通入保护气体 Ar(纯度 99.999%)，最大流量 200 sccm(标准立方厘米每秒)，控制误差＜1%；另一路通入反应气体O2(纯度99.999%)，最大流量20 sccm，控制误差＜0.1% (七星华创CS200型)。测温系统包括宽程固定式红外测温仪(型号: SCIT-2MK)和铂铑热电偶(丝径 1 mm)，红外测温仪测温范围300～1700 ℃，温度分辨率 1 ℃。为了给铜加热电极散热，系统配备了循环水冷机，温度设定15 ℃。称取0.5 g的钨粉均匀放置在钨舟中。把硅片放置在钨粉上方0.5 mm处。热蒸发系统的真空抽至0.1 Pa，通入100 sccm氩气和0.5 sccm氧气的混合气体。利用直流电源将钨舟加热至1200 ℃，保持10～15 min。保温结束后，缓慢减小加热电流，在Ar气氛下冷却至室温。在硅片上得到了一层均匀的蓝色薄膜。

图1 真空热蒸发制备氧化钨纳米线的设备示意图和实物图Fig.1 The schematic image (a) and phisical map (b) of high temperature physical evaporation deposition facility

采用 X射线衍射光谱（XRD, Bruker D8 Advance/CuKα, λ=0.154 nm）对材料物相进行表征；采用场发射扫描电子显微镜（FESEM, Hitachi S-4800/加速电压 10 kV）进行表面形貌分析；采用透射电子显微镜（TEM, FEI Tecnai G2/加速电压200 kV）进行晶格以及取向分析；采用泰克数字示波器（MDO3024）和吉时利数字电源表（keithly 2400）实现介电泳波形和紫外光电学信号测量。

2 实验结果及分析

2.1 氧化钨纳米线阵列的制备及表征

氧化钨纳米材料的制备方法主要有水热法和热蒸发法。本文采用真空热蒸发方法实现氧化钨纳米线阵列的制备。生长实验结束后，在硅片上得到一层均匀的蓝色薄膜。

图2 氧化钨纳米线阵列的XRD谱Fig.2 XRD pattern of tungsten oxide nanowire arrays

对热蒸发法得到的产物先做XRD测试，结果如图2所示。从图谱中可以看出产物表现出两个尖锐的衍射峰，查询PDF卡片可知其对应于单斜结构的W18O49(ICDD-PDF2-2004 No. 01-084-1516, 晶胞参数a=1.831 82 nm，b=0.378 28 nm，c=1.4028 nm，β=115.2°)[8]。只出现(010)和(020)尖峰而没有其他的明显峰出现，表明单斜结构的 W18O49极有可能是(010)方向优先取向生长的纳米线阵列结构。

图3是在硅片上制备的W18O49纳米线阵列低倍和高倍SEM照片。从图中可以看出大面积、均匀的W18O49纳米线准垂直于硅片生长，顶端直径50～150 nm，呈现出不规则椭圆形端面，纳米线表面光滑无颗粒产物。为了探讨W18O49纳米线阵列的生长机制，做了W18O49纳米线阵列的剖面SEM测试，如图3(b)中插图所示。可以看出W18O49纳米线长度约5 μm，从底部到顶部，纳米线的直径在增加，呈现棒槌状，而且随着长度的增加，纳米线越来越密集。从SEM所观察到的氧化钨纳米线生长规律符合周军等[9]提出的氧化钨纳米线竞争空间生长模型。

图3 氧化钨纳米线阵列的SEM照片(a) 低倍图; (b) 高倍图，插图是氧化钨纳米线样品的截面SEM照片Fig.3 SEM images of synthesized tungsten oxide with (a) low magnification and (b) high magnification, respectively. Inset shows the cross-sectional SEM image of tungsten oxide nanowire arrays

图4是典型的单根W18O49纳米线高分辨TEM照片和傅立叶变换花样(FFT)。从图中可以看出，W18O49纳米线表面平滑、端面平整，呈现单晶结构，表面没有明显的非晶层，生长方向(010)的面间距为0.384 nm。插图显示的是高分辨TEM点阵的傅立叶变换花样，可以看出，生长方向的(010)衍射点清晰明亮，但是在径向方向的衍射点被拉长成线状。衍射点的拉长可能来源于垂直于生长方向晶面内的大量晶格点缺陷，大量的点缺陷容易聚集形成线缺陷，从而表现出实验上观察到的衍射斑点拉长[10]。

图4 氧化钨的高分辨TEM照片，插图是傅立叶变换花样Fig.4 High resolution TEM image of synthesized tungsten oxide nanowire, inset shows the FFT result of HRTEM image

2.2 氧化钨纳米线的定向排布

氧化钨属于宽带隙(Eg=2.6 eV)的金属氧化物半导体材料，其紫外光电响应性能日益受到关注[11-12]。为了研究真空热蒸发法制备的氧化钨纳米线的紫外光响应性能，需要在氧化钨纳米线上构筑电极。利用介电泳技术，在叉指电极上实现纳米线的准定向排列和电极构筑。叉指电极间隔2 μm，长50 μm，其光学图片如图5所示。将氧化钨纳米线分散在一定量的乙醇中，然后取1～2滴乙醇滴在叉指电极中央，电极外加偏压为10 V正弦交流电，频率10 kHz。待乙醇挥发后，将器件放入马弗炉400 ℃退火2 h，让氧化钨纳米线与电极形成更好的接触。图5中插图显示的定向排布后的氧化钨纳米线SEM照片，可以看出纳米线两端与Au电极形成了良好接触。

2.3 氧化钨纳米线紫外光电探测性能研究

图5 叉指电极上所制备的氧化钨纳米线定向排布示意图Fig.5 Photo image and SEM image of aligned tungsten oxide nanowires on interdigital electrode

图6显示的是所制备的氧化钨纳米线在无光照和紫外光（365 nm，0.3×10–3W/cm2）照射下的电流-电压曲线。从中可以看出，无光照情况下，氧化钨纳米线的I-V曲线表现出近似线性特性，说明利用介电泳技术和退火处理后的氧化钨纳米线与 Au电极形成了良好的欧姆接触。在365 nm紫外光的辐照下，氧化钨纳米线表现出显著的光电流。在1 V的偏压下，电流从0.5 nA增加到2.5 nA，光电流开关比约为4。光电探测器的响应度是表述探测器对辐照光强度转化为光电流的能力，是表征光电探测器的重要参数。响应度R的计算公式为其中 Iphoto是光照下的响应电流，Idark是暗电流，Plight是入射光功率，Plight=W×S有效，W是光源的功率密度，本研究的光功率密度为0.3×10–3W/cm2，S有效是氧化钨纳米线接收紫外光照射的有效面积，本文以氧化钨纳米线密集排布布满叉指电极的面积估算（叉指电极宽度2 µm，长度50 µm，估算存在一定误差，实际性能会高于估算数据）。在1 V偏压下，器件的光电流为2.5 nA，暗电流为0.5 nA，计算出在1 V偏压下光响应度为6.67 A/W。此外，在0 V偏压下，也观测到了微弱的光电流响应信号。在没有外加偏压的情况下，氧化钨纳米线表现出4.58 A/W的紫外光响应度。

除了开关比和响应度之外，对紫外光的响应速度是衡量探测器的一个重要参数。图7显示的是偏压为0 V和1 V下电流随光开-关(周期60 s)的时间响应曲线，可以看出氧化钨纳米线具有较好的紫外光响应跟随特性。进一步分析0 V和1 V偏压光电流I-t曲线的上升沿和下降沿，发现在0 V偏压下，氧化钨纳米线的响应时间约0.15 s，恢复时间约0.14 s；在1 V偏压下，其响应时间为0.17 s，恢复时间为0.15 s。偏压的增加并没有显著降低氧化钨纳米线的光响应时间和恢复时间。

图6 氧化钨纳米线在光照前后的电流-电压曲线Fig.6 The IV curve of tungsten oxide photodetector with or without UV irradiation

图7 氧化钨纳米线在0 V和1 V偏压下的紫外光电流随光开-关响应曲线Fig.7 Time-dependent photocurrent response under on/off shifting UV light at 0 V and 1 V bias, respectively

3 结论

利用金属钨粉为原料，采用真空热蒸发的方法，可以实现大面积氧化钨纳米线的合成，所制备的氧化钨纳米线是单斜结构W18O49单晶纳米线。氧化钨纳米线可以采用介电泳技术实现纳米线的定向排列和电极接触。研究发现，氧化钨纳米线对365 nm紫外光具有良好的响应能力，在0.3×10–3W/cm2紫外光辐照下，纳米线的紫外光响应度为6.67 A/W，响应时间和恢复时间分别为0.17 s和0.15 s。上述研究结果表明，氧化钨纳米线在紫外光探测领域具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]GUO T, YAO M S, LIN Y H, et al. A comprehensive review on synthesis methods for transition-metal oxide nanostructures [J]. CrystEngComm, 2015, 17(19):3551-3585.

[2]ZHENG H D, OU J Z, STRANO M S, et al.Nanostructured tungsten oxide-properties, synthesis, and applications [J]. Adv Funct Mater, 2011, 21(12):2175-2196.

[3]CHI L, XU N, DENG S, et al. An approach for synthesizing various types of tungsten oxide nanostructure[J]. Nanotechnology, 2006, 17(22): 5590-5595.

[4]HEO S, KIM J, ONG G K, et al. Template-free mesoporous electrochromic films on flexible substrates from tungsten oxide nanorods [J]. Nano Lett, 2017, 17(9): 5756-5761.

[5]ZHU Y, ZHAO Y, MA J, et al. Mesoporous tungsten oxides with crystalline framework for highly sensitive and selective detection of foodborne pathogens [J]. J Am Chem Soc, 2017, 139(30): 10365-10373.

[6]LU Y, JIANG Y, GAO X, et al. Strongly coupled Pd nanotetrahedron/tungsten oxide nanosheet hybrids with enhanced catalytic activity and stability as oxygen reduction electrocatalysts [J]. J Am Chem Soc, 2014,136(33): 11687-11697.

[7]ZHANG X, LU X, SHEN Y, et al. Three-dimensional WO3nanostructures on carbon paper: photoelectrochemical property and visible light driven photocatalysis [J]. Chem Commun, 2011, 47(20): 5804-5806.

[8]DING J R, KIM K S. Facile growth of 1-D nanowire-based WO3thin films with enhanced photoelectrochemical performance [J]. AIChE J, 2016, 62(2): 421-428.

[9]LIU F, GUO T Y, XU Z, et al. Controlled synthesis of patterned W18O49nanowire vertical-arrays and improved field emission performance by in situ plasma treatment [J].J Mater Chem C, 2013, 1(19): 3217-3225.

[10]ZHOU J, DENG S, GONG L, et al. Growth of large-area aligned molybdenum nanowires by high temperature chemical vapor deposition: synthesis, growth mechanism,and device application [J]. J Phys Chem B, 2006, 110(21):10296-10302.

[11]ZHOU J, DING Y, DENG S Z, et al. Three-dimensional tungsten oxide nanowire networks [J]. Adv Mater, 2005,17(17): 2107-2110.

[12]HAI Z, AKBARI M, XUE C, et al. Wafer-scaled monolayer WO3windows ultra-sensitive, extremely-fast and stable UV-A photodetection [J]. Appl Surf Sci, 2017, 405:169-177.

[13]ROY MOULIK S, SAMANTA S, GHOSH B.Photoresponse in thin films of WO3grown by pulsed laser deposition [J]. Appl Phys Lett, 2014, 104(23): 232107.