基于可摻雜ZnS一維納米結(jié)構(gòu)高性能傳感器的研究.pdf

1、一維半導(dǎo)體納米材料展現(xiàn)出不同與薄膜和體材料優(yōu)越的電學(xué)和光電特性，基于納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的納米傳感器件的研究引起廣泛的關(guān)注。ZnS是重要的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度為3.7eV，廣泛用于平板顯示、紫外發(fā)光二極管和紫外傳感器等領(lǐng)域。近年來對于一維ZnS納米結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，它們具有高的晶體質(zhì)量和良好的光學(xué)特性，這為制備高性能傳感器奠定了基礎(chǔ)。但由于本征ZnS納米材料的高絕緣性，限制了其在納米器件中的廣泛應(yīng)用，納米材料摻雜是制備高性能器件的重要環(huán)節(jié)

2、。
　　本文將運用化學(xué)氣相沉積方法系統(tǒng)研究一維ZnS納米結(jié)構(gòu)的合成及摻雜工藝，利用掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線能譜分析(EDX)、透射電子顯微鏡(HRTEM)、選區(qū)電子衍射(SAED)、光致發(fā)光能譜儀(PL)等對合成納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，進(jìn)一步優(yōu)化工藝，實現(xiàn)n、p型一維ZnS納米結(jié)構(gòu)可控的合成。同時基于單根n-ZnS納米線和p-ZnS納米帶運用光刻等微納加工手段制備了底柵場效應(yīng)器件(Back-gate FETs)和結(jié)型場效應(yīng)器

3、件(JFETs)，并對器件的電學(xué)、光學(xué)以及傳感特性進(jìn)入了深入詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)n型ZnS納米線具有高性能的紫外傳感器和濕度傳感器特性，p型ZnS納米帶能夠制備高速節(jié)能的光探測器，綜合起來取得以下有意義的成果：
　　1.以Al單質(zhì)為Al元素?fù)诫s源，通過控制蒸發(fā)源中摻雜源與ZnS的質(zhì)量比獲得不同摻雜濃度的n型ZnS：Al納米線(NWs)，進(jìn)一步形貌和結(jié)構(gòu)分析表明，ZnS：Al納米線尺寸均勻、表面平滑，直徑在30～90nm范圍，長度能夠達(dá)

4、到幾百微米，為高質(zhì)量的單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，生長方向為[1010]。同時基于單根ZnS：Al納米線的電學(xué)測試發(fā)現(xiàn)隨著摻雜濃度的升高，ZnS納米線的電導(dǎo)明顯提高，且能在3個數(shù)量級內(nèi)調(diào)控，電子濃度最高達(dá)1.3×1018cm-3。以高純Cu2S為Cu元素為摻雜源，合成了尺寸均勻、形貌良好單晶六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的p型ZnS：Cu納米帶(NRs)，空穴濃度高達(dá)1.4×1018cm-3。
　　2.對基于n、p摻雜ZnS納米結(jié)構(gòu)制備的場效應(yīng)晶體管研究發(fā)現(xiàn)

5、，ZnS：Al納米線Back-gate FETs表現(xiàn)出n溝道場效應(yīng)晶體管特性，隨著摻雜濃度升高，柵極的控制能力減弱，閾值電壓變小，電子遷移率0.16cm2 V-1s-1增加到18.8cm2V-1s-1，呈逐漸增大的變化趨勢；ZnS：Cu納米帶FETs輸出特性為典型的p溝道場效應(yīng)特性，空穴遷移率達(dá)23.6 cm2V-1s-1，制備的p-ZnS：Cu NR/n-CdS的p-n結(jié)的理想因子為1.3，JFET的亞閾值擺幅為65mV dec-1。

6、
　　3.以ITO為歐姆接觸電極制備了n型可控?fù)诫sZnS：Al NWs的紫外傳感器，發(fā)現(xiàn)器件只對波長小于335nm的紫外光有明顯的響應(yīng)，并且隨著摻雜濃度的提高，器件響應(yīng)度和增益逐漸增加，最高分別達(dá)4.7×106 AW-1和2.3×107，增益帶寬積高達(dá)～0.1GHz，具備了能夠進(jìn)行單光子探測應(yīng)用的條件；p-ZnS：Cu NR/n-Sip-n結(jié)光電探測器在零偏壓下開關(guān)比達(dá)到105以上，響應(yīng)速度為毫秒級。
　　4.研究了基于n型

7、ZnS：Al NWs制備的場效應(yīng)器件對濕度傳感特性，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境相對濕度在50％以下時，隨著濕度的增大電流略微減小，這歸咎于納米線表面吸附水分子，奪取內(nèi)部電子形成OH-，使得納米線表面能帶向上彎曲而形成空穴積累，與內(nèi)部電子復(fù)合導(dǎo)致電導(dǎo)率下降；在濕度大于50％以后，隨著濕度增加，納米線電流呈線性增大趨勢，且濕度從50％增加到90％時，電流增加了兩個數(shù)量級，這主要原因來自于水分子的物理吸附。
　　可控?fù)诫sZnS納米結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)為進(jìn)一步制備