氮等离子体调控氧化锌纳米棒结构实现紫外-可见光协同增强的光敏性能

本研究针对ZnO纳米棒可见光响应不足的问题，通过大气压等离子体(APMP)合成结合氮等离子体掺杂技术，系统探究了等离子体功率与时长对ZnO结构及光电性能的调控规律。研究发现20 W/10 min处理可诱导Zn3 N2 形成和晶格应变，使紫外光电流提升8倍(2.36 μA@375 nm)，可见光响应达9.8 μA(450-720 nm)，为宽谱光电探测器设计提供了新思路。

　　

氧化锌(ZnO)纳米材料因其3.37 eV的宽禁带特性和60 meV的高激子结合能，在紫外光电探测领域备受关注。然而，其可见光响应弱的固有缺陷严重限制了实际应用。传统掺杂技术如离子注入常需高温处理，易破坏纳米结构。如何实现低温精准掺杂并协同提升紫外-可见光响应，成为当前研究的瓶颈问题。

针对这一挑战，韩国研究人员在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地采用大气压微波等离子体(APMP)系统合成ZnO纳米棒，结合直流氮等离子体处理实现可控掺杂。通过XRD、拉曼光谱、XPS等表征手段，系统分析了等离子体参数对结构缺陷和光电性能的影响规律。

关键实验方法
研究采用APMP系统（含2.45 GHz微波发生器）合成ZnO纳米棒，以Zn粉为前驱体在O₂
/H₂
O等离子体中生长。通过直流等离子体在10-30 W功率范围、5-20分钟时长进行氮掺杂。利用SEM观察形貌变化，XRD和拉曼光谱分析晶格应变，XPS确定氮化学态（Zn₃
N₂
、α-/β-/γ-N），PL光谱表征缺陷态，最后测试375 nm紫外和450-720 nm可见光下的光电流响应。

主要研究结果

1. 形貌与结构调控
   SEM显示原始纳米棒呈海胆状垂直排列（直径80-120 nm）。20 W处理导致纳米棒弯曲和直径收缩（~15%），XRD证实(002)晶面间距减小0.03 ?，表明等离子体诱导的晶格压缩效应。

2. 缺陷态分析
   XPS在396.5 eV处检出Zn₃
   N₂
   特征峰，PL光谱显示450 nm蓝光发射增强，证实氮掺杂引入的中隙态(Mid-gap states)。拉曼谱中438 cm^-1
   峰宽化表明氧空位浓度增加。

3. 光电性能突破
   最优处理组（20 W/10 min）紫外光电流达2.36 μA（提升8倍），可见光响应9.8 μA。研究首次发现γ-N构型与可见光响应的线性关联（R²
   =0.92），而β-N主要增强紫外响应。

结论与意义
该研究建立了氮等离子体参数-结构缺陷-光电性能的定量关系模型，阐明不同氮构型（α/β/γ）的分工协同机制：β-N通过浅能级缺陷增强紫外响应，γ-N通过深能级态拓宽可见吸收。相比传统高温掺杂，等离子体技术能在保留纳米结构前提下实现精准调控，为柔性光电器件开发提供了新范式。研究提出的"等离子体应变工程"策略可拓展至其他宽禁带半导体材料的性能优化。