基于原位透射电子显微学的Zn2GeO4与ZnSe纳米线的电学性能研究

摘要

随着半导体器件尺寸的不断缩小，一维纳米线将成为构建新型纳米器件的重要组成部分，其结构、性能决定了纳米器件的可靠性、稳定性。其中Zn2GeO4(ZGO)纳米线和ZnSe纳米线因其可宏观制备、与硅工艺兼容、具有独特的物理特性等特点被广泛研究以期用于新型电子器件，尤其是光电器件以及紫外光探测器件等等，因而研究其结构、成分以及电学特性对未来器件的设计具有重要的指导意义。
　　对上述纳米线，当前已有的研究往往只注重纳米线的宏观电学性能，尚无法使之与其微观结构实现结合，仍处于“知其然而不知其所以然”的状态。随着原位电子显微技术的发展，在电镜中对纳米材料进行原位力电测试并同步进行结构观察现已成为可能。本文利用原位透射电子显微技术研究了Zn2GeO4(ZGO)纳米线和ZnSe纳米线的电学特性，并研究了焦耳热和高能电子束辐照对ZGO纳米线电学特性的影响。具体内容包括:
　　1.研究了单晶及双晶ZGO纳米线的结构以及电学特性。得出:单晶ZGO纳米线结构属于六方晶系，单晶ZGO纳米线的I-V曲线为对称的S型曲线，计算得出直径为300nm、长度为1.7μm的ZGO纳米线的电阻为18.3 MΩ，电阻率为30.6Ω·cm，载流子浓度为7.2×1014 cm-3，电子迁移率μ为454 cm2/V·s;双晶ZGO纳米线由于两边ZGO晶格取向不同而形成晶界，轴向接触双晶ZGO纳米线所测得电流几乎为零，分析是由于其自身存在晶界以及纳米线过长，阻碍载流子的移动，表现出高阻特性，而径向接触双晶ZGO纳米线所测得I-V曲线为稍微不对称的S型曲线，分析是由于纳米线与两个电极接触的有效面积不同，当有效接触面积较大的肖特基结处于反偏时，电流较大。
　　2.研究了ZnSe纳米线的结构以及电学特性。ZnSe纳米线属于闪锌矿结构，ZnSe纳米线的I-V曲线为对称的S型曲线，当ZnSe纳米线在受力的情况下结构发生变化时，I-V曲线由对称变为不对称，当在处于反偏的肖特基结上施加应力时，相应的I-V曲线会出现电流激增的拐点，随后电流在一定范围内震荡，呈现出击穿的特性;计算得出直径为88 nm、长度为262 nm的ZnSe纳米线的本征参数:电阻为11 MΩ，电阻率为25.5Ω·cm，载流子浓度为7.7×1016 cm-3，电子迁移率μ为3.2 cm2/V·s。
　　3.研究了焦耳热对ZGO纳米线电学特性的影响。通过对同一根ZGO纳米线进行连续加电测试，发现随着测试次数的增加，电流增加且I-V曲线的开启电压减小，随后I-V曲线趋于稳定且不随测试次数改变。分析是由于在加电测试过程中，在电阻较大的接触界面处会产生焦耳热，焦耳热对金属与纳米线接触界面产生一定程度的退火作用，使得接触状况得到改善，且局部焦耳热能去除界面处的吸附物，使得接触电阻发生改变。因此纳米线在加电测试过程中所产生的焦耳热，有助于纳米线与金属电极更好地接触从而获得更加准确的I-V曲线。
　　4.研究了电子束辐照对ZGO纳米线电学特性的影响。在不同的电子束辐照强度下，对同一根ZGO纳米线进行电学测试，发现随着电子束辐照强度的增加，流过纳米线的电流增加且I-V曲线的开启电压减小。进一步分析表明这是由于金属电极中的电子受到高能电子束的激发，更容易越过金属与半导体形成的肖特基势垒，且被激发的金属电子个数与电子束辐照强度成正比，与辐照有效面积成反比。因此在原位TEM电学测试过程中，应该考虑到电子束辐照的影响，以便获得更加准确的测量结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 一维纳米材料简介

1．3 一维纳米材料的应用

1．4 论文的研究内容及意义

第二章 原位透射电子显微学概述

2．1 引言

2．2 透射电子显微学简介

2．2．1 透射电子显微镜简介

2．2．2 透射电子显微镜表征方法

2．3 原位透射电子显微学

2．3．1 原位透射电子显微学简介

2．3．2 基于原位透射电子显微学的外场加载方式及应用

2．4 本章小结

第三章 Zn2GeO4和ZnSe纳米线的结构表征

3．1 引言

3．2 单晶ZGO纳米线的结构表征

3．3 双晶ZGO纳米线的结构表征

3．4 ZnSe纳米线的结构表征

3．5 本章小结

第四章 Zn2GeO4和ZnSe纳米线的原位电学性能测试

4．1 引言

4．2 金属与半导体接触理论

4．2．1 肖特基势垒的形成

4．2．2 金属-半导体-金属结构

4．3 原位电学实验样品准备

4．4 单根纳米线的原位电学性能测试

4．4．1 单晶ZGO纳米线的原位I-V特性

4．4．2 双晶ZGO纳米线的原位I-V特性

4．4．3 ZnSe纳米线的I-V特性

4．5 本章小结

第五章 焦耳热及电子束辐照对纳米线原位电学性能的影响

5．1 引言

5．2 焦耳热

5．2．1 焦耳热导致纳米线失效

5．2．2 焦耳热对纳米线电学性能的影响

5．3 电子束

5．3．1 电子束辐照对纳米线结构的影响

5．3．2 电子束辐照对纳米线电学性能的影响

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介