低維ZnO材料的生長(zhǎng)與物性研究.pdf

1、本論文以ZnO 材料為研究對(duì)像，以化學(xué)氣相沉積(CVD)為實(shí)驗(yàn)手段，分別對(duì)一維ZnO 材料的六角截面形成機(jī)理、場(chǎng)致電子發(fā)射性能和p 型薄膜摻雜做了研究。 在對(duì)ZnO 一維材料的六角截面形成機(jī)理的研究中，我們采用無(wú)催化劑化學(xué)氣相沉積方法制備了任意取向和取向一致的ZnO 納米/微米柱陣列，以X 射線衍射來(lái)確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能；以掃描電鏡觀測(cè)樣品的表面形貌，通過(guò)電鏡照片發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一般尺寸較大的ZnO 微米柱，他們的截面均呈現(xiàn)出

2、六邊形，這與其他研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。為了解釋這一六角截面的形成機(jī)理，我們基于能量最低原理的基礎(chǔ)上，遵循最大可能消除懸掛鍵的思路，搭建了ZnO 沿a‐b平面內(nèi)的生長(zhǎng)模型，這一模型很好的解釋了ZnO 六角截面的形成機(jī)理。 在ZnO 一維材料的場(chǎng)致電子發(fā)射性能的研究中，我們分別從發(fā)射體的尖端形貌和界面結(jié)對(duì)場(chǎng)發(fā)射性能的影響這兩個(gè)方面給予了討論。對(duì)任意取向的ZnO納米柱陣列樣品做場(chǎng)發(fā)射測(cè)量，通過(guò)對(duì)I‐V 曲線的F‐N 擬合，得到了實(shí)驗(yàn)

3、測(cè)定的場(chǎng)增強(qiáng)因子。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的場(chǎng)增強(qiáng)因子卻比實(shí)驗(yàn)測(cè)定值低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一巨大差異引起了我們的關(guān)注，通過(guò)對(duì)發(fā)射體陣列的形貌觀測(cè)，我們認(rèn)為在ZnO 納米柱上真正的場(chǎng)發(fā)射區(qū)域僅僅是位于高電勢(shì)的一個(gè)凸角，而非整個(gè)頂端。在隨后的等面積模型模擬中，我們把位于高電勢(shì)的凸角約化為一個(gè)常見(jiàn)的半球形發(fā)射體頂端，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這一約化的發(fā)射體的場(chǎng)增強(qiáng)因子，其實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)值很接近，因此證實(shí)了我們的推測(cè)，揭示了ZnO 納米六棱柱發(fā)射體的電子發(fā)射部位與

4、其他納米管/線的顯著區(qū)別。為了研究襯底與發(fā)射體形成的截面結(jié)對(duì)場(chǎng)發(fā)射性能的影響，我們?cè)谙嗤臈l件下分別在p 型和n 型Si 襯底上制備了ZnO 微米柱陣列，以原子力顯微鏡(AFM)為測(cè)試手段，分別對(duì)兩個(gè)襯底上的單根ZnO 微米柱做場(chǎng)發(fā)射測(cè)試。在做場(chǎng)發(fā)射測(cè)試之前，先對(duì)兩個(gè)異質(zhì)結(jié)做I‐V 曲線測(cè)量，發(fā)現(xiàn)ZnO 微米柱與p 型襯底形成的界面結(jié)呈現(xiàn)類似于pn 結(jié)的非線性整流特性；而ZnO 微米柱與n 型襯底形成的界面結(jié)則呈現(xiàn)出線性的歐姆接觸特性。

5、在隨后的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試中發(fā)現(xiàn)n 型襯底上生長(zhǎng)的ZnO 微米柱，它的場(chǎng)發(fā)射電流密度也大于p 型襯底上生長(zhǎng)的ZnO 微米柱。 對(duì)于ZnO薄膜的p型摻雜，我們采用新的外排N元素溶膠－凝膠法成功制備出高遷移率p型ZnO薄膜。該法以Zn(NO3)2 ? 6H2O為先驅(qū)物，將等摩爾的檸檬酸和乙二醇配制成溶膠，并把Zn(NO3)2 ? 6H2O溶液溶于該溶膠體系。將溶膠沉積于襯底上形成濕膜，經(jīng)過(guò)晾干和熱處理形成所需的薄膜。通過(guò)熱處理把薄膜體系內(nèi)多