Na掺杂氧化锌一维纳米棒阵列的制备和光电性能研究

【摘要】：Zn O是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,室温禁带宽度为3.37 e V,激子结合能高达60 me V,在紫外、蓝、绿光发光二极管、激光器和紫外探测器等方面显示了巨大的应用潜力。由于本征Zn O中存在大量的本征施主缺陷,使得p型Zn O较难以合成,成为其实现光电领域应用的瓶颈。近年来,随着材料制备技术和纳米科技的发展,有关p型Zn O掺杂的研究越来越多。而且,理论计算和实验证实V族元素(N、P、As、Sb)和I族元素(Li、Na、K、Cu、Ag、Au)都可作为p型Zn O的受主掺杂元素。本论文主要研究了一维Zn O纳米材料和p型Na掺杂的Zn O纳米棒的制备及光电性能,共分为七章。第一章介绍了一维纳米材料的概念、Zn O纳米材料的基本性能和制备方法以及一维Zn O纳米阵列的p型掺杂和应用的进展,并在此基础上提出了本论文的研究内容。第二章介绍了本文中一维Zn O纳米棒阵列的合成方法和表征。第三章探讨了不同锌原料制备的多种Zn O纳米结构,并在此基础上利用缓冲层技术合成准一维Zn O纳米棒阵列,分析了其生长机理。第四章介绍了增强Zn O纳米棒场发射性能的方法。第五章和第六章介绍了p型Na掺杂Zn O纳米棒的制备及性能研究。第七章为结论。本论文取得的阶段性成果如下:(1)借助缓冲层技术,用化学气相沉积法在Si衬底上制备了一维Zn O纳米棒阵列,研究Zn O缓冲层厚度对纳米棒阵列的生长、光致发光和场发射性能的影响。研究表明,本文中最优缓冲层厚度约为50 nm。这为后文的Na掺杂Zn O纳米棒阵列的生长打下基础。根据Zn O纳米棒截面TEM分析,发现在Zn O纳米棒和缓冲层中间有过渡层形成。该过渡层由沿缓冲层中晶粒的外延晶粒组成,Zn O纳米棒继而沿着过渡层晶粒的生长方向外延生长。缓冲层Zn O沿c轴择优生长,因此Zn O纳米棒近似垂直于衬底生长,呈一维阵列形式排列。(2)探索并研究了一维Zn O纳米棒场发射性能增强的方案:结合等离子体刻蚀减小纳米棒顶端直径和Al N薄膜对Zn O纳米棒进行表面修饰,可以有效降低场发射开启和阈值电场,增强场发射电流密度。(3)采用化学气相沉积法成功制备了p型Na掺杂的Zn O(p-Zn O:Na)纳米棒。XRD、XPS和TEM等表征手段证明Na掺杂Zn O形成NaZn受主。霍尔效应测试表明Na掺杂量介于1.2 at.%至2.1 at.%之间的Zn O纳米棒是p型半导体,空穴浓度约1015 cm-3。低温光致发光光谱和伏安特性测试均进一步证明Na掺杂Zn O纳米棒的p型导电特性。同时,研究了热处理对Zn O:Na纳米棒性能的影响。以50℃/s的速度快速升温,在氮气气氛下热处理Na掺杂的Zn O纳米棒,因为激活间隙Na形成NaZn,使其空穴浓度由3.4×1015 cm-3最大增加到1.2×1016 cm-3。而以10℃/min的速度升温,在氧气气氛下热处理Na掺杂的Zn O纳米棒,则由于Na激活和氧空位减少的共同作用,使其空穴浓度增加,最大达到4.1×1016cm-3。(4)用热扩散的方法制备了p型Na掺杂Zn O纳米棒。在Zn O纳米棒表面旋涂含Na前驱体溶液后再高温热处理。虽然光电子能谱分析测试表明该方法使Na掺入了Zn O,900℃下进行热扩散的Zn O纳米棒中Na含量最高为0.9 at.%;但霍尔测试表明此样品呈弱p型导电特性,空穴浓度为~1014 cm-3。(5)制备并研究了基于p型Na掺杂的Zn O纳米棒的p-Zn O:Na/n-AZO的同质结。Na掺杂Zn O纳米棒的霍尔测试和同质结器件的伏安特性研究证实了Na掺杂的Zn O纳米棒呈p型导电,开启电压约为0.5 V。