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垂直ZnO纳米棒阵列的水溶液法可控生长及N掺杂ZnO薄膜的电学机制研究

李庆伟  
【摘要】: 氧化锌是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37eV,激子结合能高达60meV,这些特性使其在短波长光电器件方面拥有巨大的潜在应用价值,在目前常用的半导体材料中首屈一指。 一维(1D)纳米材料已经被广泛的研究,因为它们在场效应晶体管、单电子晶体管、光电二极管和化学传感器等纳米电子器件领域拥有巨大的应用潜力。ZnO具有多种形式的纳米结构,是当前纳米材料中结构最为丰富的一种纳米材料。它的主要制备方法包括分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、溅射、电化学沉积、气相传输(VPT)化学气相沉积(CVD)、热蒸发和水溶液法等。其中水溶液法因为其不需要昂贵的设备、生长温度低、环保并且与有机衬底可兼容等优点,已经广泛被人们应用于生长ZnO纳米棒。本论文我们利用水溶液法制备了ZnO纳米棒,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)、拉曼光谱等测试手段对纳米棒的结构、形貌和光学性质进行了表征。实现了垂直ZnO纳米棒阵列的水溶液法可控生长。 此外,ZnO在光电器件领域有着巨大的应用前景,但是ZnO的p型掺杂非常困难,限制了ZnO基光电器件的开发应用。N被认为是实现P型掺杂最理想的元素,因为它与0具有几乎相同的离子半径。本论文中我们利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备了N掺杂的p型ZnO薄膜,采用Hall效应测试、X射线光电子能谱(XPS)和X射线精细结构谱(XANES)对不同退火条件下ZnO:N薄膜的电学机制进行了详细研究。 本论文主要分为三大部分: 一、采用水溶液法在硅衬底上制备了ZnO纳米棒,研究了溶液浓度、生长温度和时间对ZnO纳米棒的影响,结果显示六角纤锌矿型ZnO纳米棒均匀致密的垂直排列在衬底上,同时室温光致发光谱检测显示ZnO纳米棒具有很强的近带边紫外发光峰,而与深能级相关的缺陷发光峰则很弱,表明在硅衬底上生长的ZnO纳米棒具有很高的光学质量。 二、采用水溶液法在石英、硅和ITO玻璃上生长了ZnO纳米棒,结果显示衬底对生长的ZnO纳米棒的形貌和光学质量有很大影响,生长在ITO玻璃上的ZnO纳米棒的晶体质量、取向性和光学质量最差。 三、利用MOCVD制备了ZnO:N薄膜,采用NH3作为N掺杂源。在N2O原位退火条件下获得了载流子浓度为~1017的可重复性的ZnO:N薄膜。为了研究p型ZnO:N薄膜的掺杂机制,利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收精细结构谱(XANES)研究了ZnO:N薄膜的局部电子结构和化学状态。


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