Ga掺杂ZnO纳米棒阵列的制备与光学、电学性质的研究

摘要

ZnO作为直接带隙半导体材料，其禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能为60 meV，在蓝紫光发光二极管（LEDs）、激光器（LDs）、光电探测器等短波长光电器件领域具有极大的应用潜力。而获得高质量的n型或p型ZnO材料以构成性能良好的ZnO基p-n结，就成为了其在光电领域实现广泛应用的前提之一。为实现此目的，通常采用的方法是对ZnO材料进行掺杂改性。本文重点围绕低维ZnO纳米材料的可控生长及n型掺杂来展开研究工作。
　　 本文主要采用无催化剂热蒸发法在p-Si衬底上制备了Ga掺杂以及Si掺杂的ZnO纳米棒阵列结构。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线电子能谱仪、荧光分光分度计及美国Radiant公司premierⅡ铁电测试系统等测试手段分析了掺杂物对样品的结构、形貌、光学、电学及其成分等多方面性能的影响。具体研究内容如下：
　　 （1）工艺条件的完善。研究了管内压强的稳定性、载气流量、衬底温度对ZnO纳米棒阵列形貌的影响。
　　 （2）利用无催化剂热蒸发法，以不同摩尔比例的ZnO和Ga2O3粉末作为源物质，并以p-Si（100）为衬底，制备了不同Ga掺杂浓度的ZnO纳米棒阵列。着重研究了待蒸发物中Ga2O3的浓度的改变对产物光致发光性能的影响。并在此基础上分别以Au和Ti/Au为p区和n区电极制备了n-ZnO/i-ZnO/p-Si异质结二极管结构，并测量了其电流-电压（Ⅰ-Ⅴ）特性。测试结果表明电极与n-ZnO之间均表现出良好的欧姆接触特性，且所得异质结表现出典型的二极管整流特性。同时，源物质中Ga2O3比例的增加大大提高了样品的电学性质。
　　 （3）采用同样的方法，以分析纯ZnO粉料为源物质，得到了Si掺杂的ZnO纳米棒阵列。通过其光致发光谱可知，Si掺杂导致了紫外（UV）发光峰向长波长移动，且引入了绿光发光峰。经分析认为该变化的发生是由于Si的掺入在ZnO中引入了大量的深能级缺陷。此外，电学性能测试表明，由该种材料构成的异质结同样具有整流特性。这对采用集成工艺在Si片上生产具有高效率的ZnO基光电器件的研究具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 ZnO的基本性质

1.2 ZnO的性能及应用

1.2.1 ZnO的光电性能及应用

1.2.2 ZnO的场发射特性及应用

1.2.3 ZnO在其它性能及应用

1.3 ZnO的掺杂与电学方面的改性

1.3.1 ZnO中的本征缺陷

1.3.2 ZnO中的非故意掺杂

1.3.3 ZnO中的受主掺杂

1.3.4 ZnO中的施主掺杂及研究现状

1.4 准—维ZnO纳米材料的研究现状

1.5 选题背景、研究意义及研究内容

1.5.1 选题背景及意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验方法及实验内容

2.1 脉冲激光沉积(PLD)制备ZnO薄膜

2.1.1 PLD设备原理及物理过程

2.1.2 PLD制备ZnO薄膜的研究现状

2.1.3 ZnO薄膜的制备

2.2 热蒸发法制备ZnO纳米棒阵列

2.2.1 实验设备—真空管式高温炉

2.2.2 样品的制备

2.2.3 ZnO纳米棒阵列的分析与表征手段

2.3 ZnO基异质p~n结电极的制备

2.3.1 n型ZnO上欧姆接触的研究进展

2.3.2 电极的制备

第三章 ZnO纳米棒阵列生长工艺的探索

3.1 管内压强的稳定性对生长ZnO纳米棒阵列的影响

3.2 氩气流量对生长ZnO纳米棒阵列的影响

3.3 衬底位置对生长ZnO纳米棒阵列的影响

第四章 Ga掺杂量对ZnO纳米棒阵列结构及性能的影响

4.1 表面形貌分析

4.2 结构分析

4.3 光学特性分析

4.4 电学特性分析

4.3.1 Ga掺杂量的不同对p—n结电学性能的影响

4.3.2 纳米棒阵列的形貌对p—n结电学性能的影响

第五章 Si掺杂ZnO纳米棒阵列的制备与性质研究

5.1 表面形貌与结构分析

5.2 微观结构分析

5.3 光学特性分析

5.4 电学特性分析

结论

参考文献

附录

致谢