ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長及其光、電特性的研究.pdf

1、ZnO納米結(jié)構(gòu)以其優(yōu)秀的電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)、廣泛的應(yīng)用以及易于合成等特點(diǎn)而成為國際上半導(dǎo)體納米材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。盡管目前ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備和生長已取得了很大的進(jìn)步,但在納米結(jié)構(gòu)可控性生長方面可以說還是處于探索階段。根據(jù)目前納米結(jié)構(gòu)已向可控合成以及納米技術(shù)已向器件集成的研究趨勢,本論文以水熱法合成的ZnO納米結(jié)構(gòu)為主要研究對象,利用ZnO籽晶層來對其上生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控,并在p-Si和p-GaN襯底上制備了異質(zhì)結(jié),對其

2、電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了深入研究,具體包括以下三個(gè)部分。
　　第一部分研究了ZnO納米棒陣列的生長調(diào)控及表征。首先研究了對水熱法ZnO納米結(jié)構(gòu)生長方向的調(diào)控,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在晶格常數(shù)與ZnO相近的GaN襯底上或通過濺射、Sol-gel ZnO籽晶層的方式,可以調(diào)控ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長方向,在垂直襯底方向得到排列整齊的ZnO納米棒陣列。首次研究了離子束濺射的ZnO籽晶層前期處理?xiàng)l件如退火溫度、厚度對其上生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)的影響。研究表

3、明籽晶層結(jié)晶度越高,其上ZnO納米棒的生長速度越快;籽晶層厚度越大,其上納米棒的密度越大,且在≤1nm的超薄離子束ZnO籽晶層上得到排列整齊的ZnO納米棒陣列。XPS測試結(jié)果表明,所用水熱法生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)的O和Zn比略小于1,為富鋅缺氧結(jié)構(gòu)。PL測試結(jié)果表明,水熱法生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光特性與目前報(bào)道的大部分ZnO薄膜制備方法的結(jié)果具有可比性,且排列整齊的ZnO納米棒的PL性能要優(yōu)于隨機(jī)排列的納米棒。另外,采用一種溶液法制

4、備了ZnO籽晶層以及引入金屬Cr的輔助,還可實(shí)現(xiàn)對ZnO納米棒陣列橫向生長的調(diào)控。
　　第二部分研究了n-ZnO納米棒/p-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電學(xué)傳輸特性。研究表明,在正向偏壓下,所制備的n-ZnO納米棒/p-Si異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電流——電壓傳輸特性可分為歐姆線形區(qū)、指數(shù)關(guān)系區(qū)以及平方關(guān)系電流區(qū),并和Lampert和Mark所提出的空間電荷限制電流的模型相符合。進(jìn)一步研究表明后期退火處理對n-ZnO納米棒/p-Si結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性具有改善

5、作用,根據(jù)PL和XPS結(jié)果發(fā)現(xiàn),后期退火處理可以有效地減小吸附在納米棒表面的O元素,不僅有利于改善光致發(fā)光特性,還可以改善載流子的注入效率。另外,研究還發(fā)現(xiàn)所引入的離子束籽晶層越厚,對應(yīng)的n-ZnO納米棒/p-Si結(jié)構(gòu)的缺陷填充電壓(VTFL)越高。最后變溫測試(300K-450K)表明所制備的異質(zhì)結(jié)具有較好的熱穩(wěn)定性,以及單根ZnO納米棒的電學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn),所生長的ZnO納米棒為一n型半導(dǎo)體。
　　第三部分研究了n-ZnO納米棒

6、/p-GaN異質(zhì)結(jié)的電致發(fā)光(EL)特性。EL測試結(jié)果表明,所制備的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)僅在反向偏壓下有光出射,電致發(fā)光譜以550nm為中心的黃光帶為主,進(jìn)一步分析認(rèn)為p-GaN襯底有可能是該結(jié)構(gòu)反偏下發(fā)光的原因。在GaN上制備ZnO籽晶層,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可以有效地改善p-GaN上所生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)。離子束濺射ZnO籽晶層上所生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)形成一層致密的膜。在Sol-gel制備的籽晶層上的n-ZnO納米棒/p-GaN結(jié)構(gòu)中觀察到與ZnO