氧化锌柔性紫外探测器开放性实验设计

邱 宇，赵 宇，王晓娜，张莹莹

(大连理工大学 物理学院，辽宁 大连 16024)

实验教学是大学教育中极其重要的实践性教学环节，对于培养学生自主学习、独立观察、分析、发现、解决问题的能力尤为重要[1-2]。传统的实验教学多以验证性实验项目为主，学生只要按照实验步骤，就可以按部就班地完成实验任务，该教学过程只注重了共性的发展，而忽视了学生个性及主动探索欲望的培养[3-5]，这种传统的实验教学模式已不适应个性化人才培养的需要。与传统实验教学模式不同，开放性实验是学生根据要求设计实验方案，并验证方案可行性的自主性探究，它在时间、内容和实验室资源等方面对学生全面开放。研究表明，开放实验教学可以满足学生个性化探索性实践的需求，大大调动了学生的主观能动性，培养学生创新能力和综合素质[4-6]。

近年来，我校电子专业实验室在实验教学之余，有针对性地面向本专业学生开放，鼓励学生进行创新设计实验。所拟定的项目大部分是对教学大纲中实验教学内容的补充与拓展。实验教师将具有开放性的实验项目作为配合本科专业实验教学的内容，丰富学生的思维，提高学生灵活运用科学知识的能力，培养学生的创新思维与实践能力[7-8]。紫外探测器是物联网时代传感器的重要一类，主要是指通过光敏材料或其他材料将环境中紫外光信号转换为电信号的光电转换器件，目前已经广泛地应用于导弹火箭发射、武器跟踪、紫外通信、火灾检测、环境监测、医学治疗等领域[9-10]。ZnO紫外探测器是新一代半导体紫外探测器的代表，克服了传统紫外探测器的局限性，具有光谱响应好、性能稳定、结构简单等优势，开辟了紫外探测技术的新领域[11-13]。在本专业实验教学中，对于光电探测领域，只有一个“光电探测器光谱响应”验证型实验内容，学生只需要按照实验要求就可以得到相应的结果,故在学生创新能力培养方面显得不足。为此，近期以“MSM结构的ZnO紫外探测器”作为光电探测领域的开放性实验项目，加深学生对相关领域知识的理解。

1 实验内容的设计与实施

本开放性实验的主要目的是制备出基于MSM结构的ZnO柔性紫外探测器。为了让学生深入了解光电探测器的结构、工作原理、制备工艺等，围绕ZnO纳米阵列的生长、紫外探测器的制备与表征等内容，建立开放性实验项目，利用课余时间，指导学生参与相关科学研究。在现有实验室提供的实验条件基础上，由学生自行设计实验方案和计划、研制实验设备、完成实验内容，并写出实验报告，然后择优发表论文，全面培养学生的创新能力和科研能力。

1.1 ZnO紫外探测器的制备

(1)实验材料及试剂的准备。ZnO靶材，尺寸为Φ60 mm×3 mm；乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O，98%)和六次甲基四胺(C6H12N4，99%)粉末按照1∶1摩尔的比例配制50 mL的混合溶液，溶液浓度为40 mm/L；聚酯纤维衬底尺寸为1 cm×1 cm，依次经甲苯、丙酮、乙醇分别超声清洗10 min，再用去离子水反复冲洗，烘干1 h，备用。

(2) 实验内容实施过程。采用射频磁控溅射在清洗干净的聚醋纤维衬底上生长一层致密、连续的ZnO籽晶层。生长条件：氩气压强为3.5 Pa，射频功率为180 W，衬底温度为室温，溅射时间为10～15 min。将长有ZnO籽晶层的聚酯纤维衬底垂直放入装有配制溶液的反应釜当中。然后将反应釜严格密封，并放入烘箱内生长，生长温度为100 ℃，生长时间为3 h。待反应结束后，从烘箱中取出反应釜并降至室温后，最后将样品取出，用去离子水反复冲洗、烘干。采用导电银浆作为金属电极，均匀地涂抹在上述样品的两边，距离约为5 mm。然后，用准备好的导线从两侧导电银浆引出电极，将样品放入烘箱中烘烤30 min；最后采用PMMA对器件进行封装，完成ZnO紫外探测器的制备。

这部分实验内容要求学生掌握ZnO纳米阵列的制备方法和外探测器的制备工艺，了解ZnO纳米阵列的生长机理，引导学生分析不同生长条件对ZnO纳米阵列形貌的影响。并能够在多种不同衬底上制备出高质量的ZnO纳米阵列。图1为MSM结构ZnO紫外探测器结构示意图。

图1 MSM结构ZnO紫外探测器结构示意图

1.2 结果表征与引导性分析

1.2.1 扫描电子显微镜的表征与分析实验

采用扫描电子显微镜(SEM)对制备样品的表面形貌进行表征分析。图2是在聚酯纤维柔性衬底上生长ZnO纳米阵列的SEM图像。从图像中，可以看到ZnO纳米线均匀地覆盖在聚酯纤维衬底表面，纳米线生长致密，具有良好的取向性。单根纳米线顶端呈六方形结构，进一步验证了生长所得ZnO纳米线为六方纤锌矿结构。这部分实验内容要求学生了解纳米结构的制备过程，并且熟练掌握磁控溅射和化学水热法等基本实验方法。除此之外，通过提出问题，例如“在水热法生长过程中，ZnO籽晶层所起到的作用是什么”“不同生长条件(温度、时间、溶液浓度等)如何影响纳米结构的形貌”等，引导学生对纳米结构的生长过程及其生长机制的理解进行深入的思考。

图2 在聚酯纤维柔性衬底上生长ZnO纳米阵列的SEM图像

1.2.2 ZnO紫外探测光电特性测试实验

采用4200-SCS半导体综合测试系统分别测量器件的电学特性以及光学响应曲线。图3为无紫外光照射和有紫外光照射情况下，测得的ZnO紫外探测器的电流特性。从图3中可以看到，在无紫外光照射时，I—V特性曲线呈现中心对称性。根据文献可知，银与ZnO纳米线形成肖特基接触，所制作的紫外探测器件(Ag-ZnO-Ag)为两背对背肖特基结。当探测器受到紫外光照时，同一电压下，光电流明显增大。采用4200-SCS半导体综合测试系统对器件的I—T光学响应曲线，如图3所示，所加偏压为3 V。可以发现，当通过打开UV紫外开关时，器件的光电流增加；而当关闭UV紫外开关时，器件的光电流很快衰减到稳定值。从图3中可以看出，ZnO紫外探测器具有良好的稳定性。基于聚酯纤维柔性衬底的ZnO紫外探测器为未来便携式、可穿戴紫外探测器器件开辟了新的天地，让紫外探测器从传统“硬衬底”延伸至更多柔性衬底，如纸、高分子聚合物等，展现了紫外探测器在不同应用场景中的应用潜力。

图3 ZnO紫外探测器I—V特性曲线

本实验要求学生在掌握ZnO紫外探测器光电特性的同时，了解MSM型紫外探测器的工作原理。在完成这部分实验过程中需要学生对实验中观察到的现象和测量数据进行整理和归纳，而指导教师需要结合“半导体物理”“半导体器件”等理论课程内容，引导学生对当下测量的结果进行探讨与分析。例如：在外界光照情况下，半导体中载流子发生怎样变化，并且如何影响MSM型能带结构的？改变了基势垒高度，如何影响光生电流？在撤销光照后，影响光生载流子开始复合的因素有哪些？通过这一系列问题引导性分析，学生就会对紫外探测器的整个工作机制有深入的了解。根据提出的问题，教师引导学生进行深入思考，结合理论知识给学生解答，加深对MSM型紫外探测器的工作机制的认识，充分调动学生的积极性。

2 开放性实验教学模式的实施效果

开放性实验教学项目，构建以学生为中心的教学模式，不仅解决了传统实验中学生实验时间受限的问题，而且使得学生在实验中从被动变为主动。通过让学生独立完成实验方案的设计、数据处理和论文写作等多方面练习，将所学理论知识运用到实践当中，从根本上提高了学生的创造性思维能力和综合素质。

开放性实验教学在显示出其独特优势的同时，也出现了一些问题，主要体现在2方面:

(1) 开放性实验项目的内容太少，供给学生开放实验的平台有待建设。

(2) 学生参与度低。由于学生是自愿选择开放实验项目，往往只有很少学生愿意选择这一没有学分的开放实验内容。这些都需要学校给予大量的支持，让更多教师参与开放性实验建设，让更多学生从中受益。

3 结语

开放型实验教学是一种新型的实验教学方式，在培养学生创新意识和创新能力等环节具有重要作用，突破了传统的实验教学模式，极大增强了学生的主动性。 “MSM型氧化锌紫外探测器”开放性实验项目，是对现有本科专业课程进行拓展与补充，在让学生对光电探测器的结构与特性、工作原理、制备工艺等知识有较为全面认识的同时，拓宽了学生的视野，提高了学生灵活运用科学知识的能力，培养了学生的创新思维与实践能力。