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文檔簡介
1、氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導體材料,其室溫禁帶寬度為3.37 eV,激子束縛能為60 meV,是制備半導體發(fā)光器和半導體激光器的理想材料。ZnO納米材料具有豐富的結(jié)構(gòu)形態(tài)、廣闊的應(yīng)用前景和科學研究價值。實現(xiàn)納米光電器件和電子器件的重要一步是實現(xiàn)不同ZnO納米結(jié)構(gòu)的可控制備。另一方面,ZnO納米結(jié)構(gòu)隨材料尺度的減小會表現(xiàn)出許多不同于塊體材料的特殊物理效應(yīng),如量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等
2、,各種新穎的納米結(jié)構(gòu)的制備、結(jié)構(gòu)表征以及性能分析成為納米ZnO研究的一個熱點。此外,ZnO納米結(jié)構(gòu)的摻雜與合金化研究是最終實現(xiàn)ZnO納米光電子器件的一個重要方向,引起了人們的廣泛關(guān)注。 本文采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD:Metal Organic Chemical VaporDeposition)方法探索了不同形式(量子點、納米晶顆粒、以及一維納米結(jié)構(gòu)>和不同形貌(納米棒,納米管以及納米墻)的ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長參數(shù),
3、研究了不同流量和溫度對形成不同納米結(jié)構(gòu)的影響。在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了自組裝ZnO納米形貌的可控生長,并且深入分析了其形成機理;進行了摻Mg合金化納米結(jié)構(gòu)的研究,深入探討了合金元素對納米結(jié)構(gòu)的形貌、微結(jié)構(gòu)和光學性能等的影響?,F(xiàn)簡要介紹如下: 1.利用低壓MOCVD方法探索ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長工藝。本文通過改變生長溫度、反應(yīng)物摩爾流量等參數(shù),分析了ZnO量子點、納米晶薄膜、以及一維納米結(jié)構(gòu)等三種形式的納米結(jié)構(gòu)的制備條件及生長機理。在流量
4、較小時,生長受動力學控制,晶粒隨襯底溫度的升高而增大,從量子點向納米晶薄膜轉(zhuǎn)變。當流量增大時,納米晶薄膜向納米棒轉(zhuǎn)變。隨著流量的進一步增大,c軸擇優(yōu)取向生長進一步增強,納米棒的直徑減小,形成ZnO納米線。 2.通過對富鋅情況下生長的樣品研究,揭示了不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)(納米棒,納米管以及納米墻)之間的關(guān)系,以及它們形成的原因。由于ZnO<,x>(x<1)的熔點較低,所以當襯底溫度較高時,該最核層會發(fā)生蒸發(fā)和薦吸附現(xiàn)象,從而造
5、成了納米棒結(jié)構(gòu)向空心豹納米管結(jié)構(gòu)和納米墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。 3.優(yōu)化生長工藝,制備出形貌新穎的層片狀ZnO納米棒陣列陣列。XRD、Raman測試表明,層片狀納米棒具有很好的晶體質(zhì)量。XPS表明樣品表面存在比較多的表面態(tài)。TEM分析表明層片狀ZnO納米棒是一個單晶整體。PL光譜研究表明,近帶邊峰主要來自于表面激子發(fā)射。通過場發(fā)射性能的研究,提出樣品表面較多的表面態(tài)引起所載流子局域化效應(yīng)是影響場發(fā)射性能的重要原因。 4.采用一種全
6、新的摻雜方法,即用六水硝酸鎂為Mg源,實現(xiàn)了ZnMgO納米結(jié)構(gòu)的制備。制備出了直徑分布均勻,排列整齊的ZnMgO納米棒;實現(xiàn)了Mg成分在單根納米棒內(nèi)的均勻分布。Mg的含量可以達到12.7 at.%。我們對單根納米棒進行成分分析,發(fā)現(xiàn)Mg含量偏差在0.5 at.%之內(nèi)。通過對制備過程的剖析,我們分析了實驗所涉及到的化學反應(yīng)過程,并提出了ZnMgO納米棒的生長機理。 5.在Si襯底的同一區(qū)域制備出ZnMgO折疊納米片和準納米管的混合
7、結(jié)構(gòu)?;谖⒔Y(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn),提出ZnMgO納米片(1210)面的折疊是由于生長前沿的反應(yīng)物的濃度起伏,生長方向沿<10-10>晶向的六個對稱方向隨機改變造成的。 6.改變有機源DZE載氣的流量,得到Mg含量分別為2.5、1.2、0 at.%的ZnMgO折疊納米片和準納米管的混合結(jié)構(gòu)。隨著Mg含量的增多,PL譜近帶邊發(fā)射峰發(fā)生了微小的藍移,這是由于Mg的摻入引起的禁帶寬度增大;帶邊峰/可見光峰強度之比降低,這表明Mg摻入會造成樣品
8、晶體質(zhì)量的下降。Raman測試表明:第一,E<,2>(high)峰隨樣品中Mg含量的增多,發(fā)生了微小的寬化和紅移;第二,E<,1>(LO)振動模的強度隨Mg含量的增大而增強。這是因為替代的Mg<'2+>與Zn<'2+>相比具有不同的半徑,Mg雜質(zhì)的摻入打破了晶體原有的平移對稱性,從而在晶格中引入了氧空位等微缺陷而造成的。 7.在Mg含量為2.5 at.%的ZnMgO納米片中觀察到柏格斯矢量為1/3<11 23>的具有[0001]
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