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一维ZnO材料的生长机理及其光电性能的研究

郝昕  
【摘要】: 近年来,由于一维ZnO结构在场发射、紫外敏感、压电等方面的优越性能,使之在平板显示器、紫外传感器、微型纳米发电机等领域的应用极具潜力,已成为目前的研究热点。然而难以制备出排列整齐、取向一致及易于器件化的一维ZnO阵列这个难题却成为制约其进一步投入应用的最大障碍之一。因此通过研究一维ZnO结构的生长机理、了解其生长过程的手段来解决这个问题便成为研究的重点。本文通过化学气相沉积(CVD)的方法,在不同衬底上制备了一维ZnO阵列,运用了X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、荧光(PL)光谱仪等手段对样品进行了分析表征。研究了基于气-固(V-S)机制下一维ZnO结构的成核温度和时间对一维ZnO阵列生长的影响,发现过低的温度不能成核,而在过高温度和长时间成核会使其生长方向紊乱,结合试验结果通过自发成核理论解释了其原因。在蓝宝石(1120)衬底上制备了水平取向的一维ZnO阵列,同时通过晶格匹配理论研究并解释了在蓝宝石(0001)、蓝宝石(1120)及Si(100)三种不同衬底上一维ZnO结构具有不同生长方向的机理。 通过测试一维ZnO阵列在无光照和有光照条件下的Ⅰ-Ⅴ特性,发现在256nm的紫外光照射下5V偏压时垂直生长的一维ZnO阵列灵敏度为4.54,上升沿时间常数为1.550s,而水平取向的一维ZnO阵列灵敏度为21.18,上升沿时间常数为0.014s。而这种性能上巨大的差距是由于其受光面积差别所决定的;使用Ga_2O_3、ZnO(质量比为1∶3)的混合源制备了掺Ga一维ZnO阵列,发现Ga元素的掺入引起了晶格常数的减小,在PL谱的测试中发现了在未掺一维ZnO阵列中没有的410nm发光峰,而这是由Ga原子引入后在导带底0.35ev产生一浅施主能级而产生的。


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