ZnO材料的形態(tài)控制生長(zhǎng)及機(jī)理研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的自激活直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的電、光、磁、機(jī)械、化學(xué)性質(zhì)，在微電子器件和光電器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。ZnO材料的性能不僅取決于其組成、結(jié)構(gòu)和尺度，還取決于其維度和形態(tài)，因此在材料的生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)、組分、形狀、尺度和位置進(jìn)行控制生長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇組裝，對(duì)開(kāi)發(fā)其各種功能有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)ZnO材料的形態(tài)控制生長(zhǎng)及機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 分別采用水熱合成法和高溫

2、氣固法，通過(guò)調(diào)控工藝條件，實(shí)現(xiàn)了ZnO形態(tài)的控制生長(zhǎng)，水熱法中控制反應(yīng)物濃度、溫度、升溫速率、反應(yīng)時(shí)間等工藝參數(shù)，制備出六方棒、尖頭棒和陣列、六方管、片狀棒陣列和片狀管陣列等形態(tài)。氣固法中控制原料種類、溫度、氣體壓力、基板等工藝參數(shù)，制備出樹(shù)枝狀、網(wǎng)格狀、陣列、梳狀等形態(tài)。用X射線衍射、掃描電鏡、投射電鏡對(duì)各種形態(tài)的成分、形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。 六方棒和管具有筆直規(guī)則的構(gòu)形和平整光滑的表面，片狀棒和片狀管陣列垂直生長(zhǎng)在基板上，相互

3、交錯(cuò)生長(zhǎng)的ZnO納米片排列在棒或管的側(cè)面。對(duì)水溶液體系的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析，溶液反應(yīng)溫度在沸點(diǎn)以下時(shí)，ZnO趨于形成理論結(jié)晶形態(tài)，生長(zhǎng)成六方棒；在沸點(diǎn)以上體系趨于達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)，ZnO棒的極性面被溶解刻蝕形成管狀。反應(yīng)物的濃度決定ZnO結(jié)晶形態(tài)的尺度大小。快速升溫時(shí)，反應(yīng)初期在基板上生長(zhǎng)的ZnO薄膜對(duì)于ZnO棒垂直于基板生長(zhǎng)有重要的影響，ZnO納米片圍繞棒的側(cè)面二次成核生長(zhǎng)形成片狀棒陣列，極性面被刻蝕溶解形成片狀管。 樹(shù)枝

4、狀是六方柱形主干的六個(gè)側(cè)面以一定角度生長(zhǎng)一排分支。網(wǎng)格狀是ZnO帶在空間相交成60°角交錯(cuò)生長(zhǎng)成整齊的網(wǎng)格，梳狀是ZnO長(zhǎng)帶狀的一側(cè)邊整齊垂直地生長(zhǎng)一排分支。氣固反應(yīng)體系中，晶體生長(zhǎng)機(jī)制是VS機(jī)理。形態(tài)控制生長(zhǎng)的關(guān)鍵是控制Zn(g)和O2(g)分壓。升高反應(yīng)溫度生成Zn(g)的分壓增大，樹(shù)枝狀和網(wǎng)格狀形態(tài)是較高Zn(g)分壓下形成，梳狀形態(tài)是較低的Zn(g)分壓下形成，改變?cè)嫌昧勘壤?，Zn(g)和O2(g)的分壓大小變化，直接影響晶體