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《华中科技大学》 2011年
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ZnO纳米阵列和非极性薄膜的制备及性能研究

韩祥云  
【摘要】:ZnO低维纳米材料是一种重要的功能材料,有许多优良的性能,在化工、电子、微纳器件等领域有广泛的用途。其中,一维ZnO纳米线阵列是一种特殊结构和优异物化性能的纳米材料。有序纳米线结构将会更大地发挥ZnO纳米线的优异特性,是新型高性能纳米材料与器件研究的重要物质基础。而非极性面的ZnO薄膜在光电器件、表面声波、压电以及紫外光调制器等器件方面,同样有着重要应用价值。其纤锌矿结构会导致在极性轴[0001]方向具有很强的自发极化和压电极化效应。解决此问题最根本方法是生长非极性面的薄膜,即薄膜的生长方向垂直于[0001]方向。 本论文主要围绕ZnO纳米线阵列结构的可控制备及其物性研究,和非极性ZnO薄膜的PLD生长与表征来开展,同时对非极性GaN薄膜的MOCVD生长及表征进行了研究,获得一些有意义的研究结果。其主要研究内容和结果如下: (1)采用气相法,在GaN衬底上制备了一维ZnO纳米结构,重点研究了反应物总量、催化剂厚度、沉积温度和管内真空度对纳米线阵列的形貌、直径、长度、密度、取向性的影响,得到了最佳的生长工艺参数。在靠近反应区合适的位置,管内1000~2500 Pa的稳定压强下,制备出大面积形貌优良、尺寸均匀、整齐排列的纳米线阵列。从光学角度出发,阐述了纳米线的形貌、有序排列与其发光性能、声子振动特性、紫外光探测响应性能和表面润湿性之间的关系。 (2)采用水热法,在低温95℃,不同导电衬底(ITO、FTO、Pt)上制备出了高取向、大面积、均匀的ZnO纳米线阵列。研究了生长时间和反应物浓度对阵列的影响。在此基础上,采用两步法构建了NiO/ZnO纳米结构阵列,和光刻胶旋涂的ZnO纳米阵列结构,重点对其出现的电阻开关效应进行了分析和讨论。通过对I-V结果线性拟合分析,得出在高低阻态不同偏压下其导电机制并不相同,这主要是由界面效应引起的。 (3)采用MOCVD外延法,在r面蓝宝石衬底上生长了系列的非极性a面GaN薄膜。分析了不同生长工艺(Al_xGa_(1-x)N缓冲层、原位生长SiNx插入层)对本征GaN外延层生长质量的影响,取得了较好的结果。采用飞秒激光Z扫描方法,探究了非极性GaN薄膜的三阶非线性光学性质,发现了晶体对称性降低引起三阶非线性吸收系数和三阶非线性折射率具有面内各向异性。 (4)利用脉冲激光沉积的方法,采用a-GaN模板作为衬底,探究非极性面ZnO薄膜的生长特性。研究不同生长温度对ZnO薄膜的晶体质量、表面形貌以及光学性质等性能的影响。通过优化成膜温度,在600℃制备出高质量a面的ZnO薄膜,其双晶衍射的半峰宽最小为0.4°,室温PL发光峰强度I_(UV)/I_(DLE)的比值高达18.5。通过对称和非对称衍射倒异空间分布图分析了倒格点的宽化机理,并得出a面ZnO膜面内具有张应变,面内两个正交方向上应变的大小分别是+0.335%和+0.055%。低温85 K下禁带边发射峰主要是由3.351 eV的中性施主束缚激子发光和3.315 eV的自由电子-束缚激子跃迁发射占主导地位。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O484.1

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