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CVD法制备ZnO薄膜的发光特性研究及碱金属钛酸盐纳米线的合成与表征

孟祥东  
【摘要】:本论文主要分两大部分,一是CVD法制备ZnO薄膜的光致发光特性研究,二是一维碱金属钛酸盐纳米材料的制备和物性研究。 ZnO作为一种直接带隙宽禁带半导体(室温下,E_g~3.36eV),之所以在学术界有如此火爆的研究态势皆因ZnO有无与伦比的光电应用前景。ZnO的激子结合能为60 meV,远大于室温热电离能(26meV),因而ZnO内部的激子可以在室温下稳定存在,这一点对于研发低阈值激光器至关重要。ZnO具有GaN所没有的独特优势,例如大的激子结合能,大尺寸高质量的ZnO体单晶衬底材料的人工制备,低的外延生长温度,低成本的晶体薄膜生长技术等。经历几十年的研究后,一些ZnO的基本性质仍然是不清楚的,例如对于未掺杂的ZnO为什么表现出n型半导体的特性,有些人认为是氧空位(V_0)和锌添隙(Zn_i),而有人却认为是在生长过程中不可避免的氢(H)杂质的引入所致。对于在ZnO发光光谱中众所周知的黄绿光的发射,一些人认为其发光机制与单离化的氧空位有关,而有人却认为是其它因素所致。总之,争论一直在持续,统一的观点还未形成。对于低温下的ZnO发光光谱,紫外各个发光峰的指认与来源确认仍是一个非常复杂的问题,这涉及到ZnO化学计量比偏移导致的各种固有缺陷,以及由于掺杂引入的杂质缺陷,另外还有在氧化锌生长中引入的环境中的杂质等。对于ZnO方面的内容,本论文的主要内容有: 1) 搭建了三套低成本的CVD装置,它们分别是简单CVD装置,单一源化学气相淀积装置,ZnO薄膜的水汽外延装置。 2) 通过水与锌粉的反应在P型Si(100)衬底上淀积出高质量的具有良好C轴择优取向的ZnO薄膜。薄膜的厚度0.8μm,颗粒平均尺寸0.5μm,在颗粒表面所产生的能带弯曲效应可以忽略,粗略认为薄膜中的氧空位均是以单电离(V_0~·)的状态存在。由于薄膜中含有大量的单电离的氧空位,在室温下薄膜具有很高的光致发光亮度。ZnO薄膜其可见光的发光强度已远远超出由化学气相输运制备的ZnO体单晶,甚至在明亮的室内背景下,依然可以看到耀眼的可见光发射。紫外峰的发光强度要比其绿光峰弱很多,但已可以与化学气相输运制备的ZnO体单晶相比拟。详细研究了低温下的PL谱。利用Haynes定则计算出与3.358eV发光峰相对应的


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