低维半导体纳米材料制备、表征及纳米器件研究

摘要

低维纳米结构材料因其独特的光、电、磁和机械性能，在纳米器件和功能材料等诸多领域具有潜在的技术应用前景。本论文较系统地研究了低维半导体纳米材料的合成、表征、物性及其纳米光电器件和传感器，利用简单的液相合成方法成功制备了高质量的CdS、ZnS纳米线，ZnO纳米锥，PbSe 纳米管以及过渡性金属元素(Mn、Co、Ni)掺杂II-VI族稀磁半导体纳米线，研究了纳米线的光学、磁学等物理特性，利用ZnO 纳米锥，PbSe 纳米管制备了光电探测器，ZnO纳米棒构建了纳米化学气体传感器，利用CuPc有机半导体纳米线构建了有机场效应晶体管和光开关器件，对纳米器件进行了表征和性能测试，取得了如下主要研究成果：
　　 (一）通过简单的液相合成方法成功制备了一系列一维II-VI族半导体如CdS、ZnS纳米线，ZnO纳米锥；低维IV-VI族半导体PbSe纳米结构等：
　　 (1)发了一种简单的溶剂热合成方法，通过调节反应参数可控制备了各向异PbSe纳米立方体，亚微米级PbSe立方体，PbSe截八面体；讨论了PbSe立方体的生长机制，发现聚合物PAM 对PbSe的形貌具有重要的影响，这对进一步理解PbSe晶体生长具有重要意义。
　　 (2)提供了一种通用的合成硫属化合物纳米线的溶剂热方法，采用PEG-400作为软模板，无水乙二胺作反应媒介，硫脲为硫源，在170℃低温下成功合成了平滑、笔直的单晶态纤锌矿结构的II-VI族半导体CdS纳米线，ZnS纳米线，纳米线的长度可以通过调节反应时间来控制，并讨论了纳米线的生长机制。通过UV-vis，PL谱研究了CdS和ZnS纳米线的光学特性，PL谱测试表明CdS 纳米线在340nm处有一个强的发光峰，ZnS 纳米线在紫外区315nm处有一个强的紫外发光峰。
　　 (3)报道采用一种简单的水热液相合成方法大产量制备了新颖结构，形貌规则的ZnO纳米锥，纳米锥尖端直径约200nm，长约50μm，通过XRD，SEM，TEM以及HRETM对产物形貌和结构进行了表征，并研究了反应时间以及PEG-400对产物形貌的影响，讨论了ZnO纳米锥的生长机制。通过光致发光光谱研究了ZnO纳米锥的光学性能，ZnO纳米锥在387nm处有个强近带隙紫外发光峰，表明其具有优异的紫外发光性能。
　　 (4)采用简单的液相合成方法，以前驱体纳米线作为模板在室温条件下成功制备了PbSe纳米管，纳米管直径约150nm，长数微米，管壁厚约10nm。通过UV-vis和PL光谱研究了PbSe的光学性能，PbSe纳米管带隙约1.2eV。
　　 (二)发展了一种简单的熔融盐合成方法首次报道合成了多元结构的SnO2纳米带，包括锯齿状，分叉状，以及直线型结构。通过XRD,SEM和TEM 对产物进行了表征，并讨论了锯齿状SnO2纳米带结构生长机制，SnO2纳米带生长遵循Ostwald陈化生长机制，PL谱测试观察到在425nm处有一个很强的蓝光发射峰，这可归于氧缺陷发射峰，这些新颖的SnO2纳米带结构有利于进一步理解SnO2纳米结构。
　　 (三)通过磁性元素掺杂，制备了高质量II-VI化合物稀磁半导体，并研究了稀磁半导体的光学、磁学特性：
　　 (1)通过溶剂热方法第一次合成了高质量，单晶态的Mn 离子掺杂CdS 纳米线，XRD、EDX、XRF、TEM以及SAED表征证实Mn 离子已成功掺杂到CdS 晶格内部；并且通过PL谱表征在Mn掺杂CdS纳米线样品中观测到在595nm由于Mn2+跃迁(4T1-6A1)引起的Mn离子橙色发射峰，室温EPR测试表明Mn 掺杂CdS纳米线为顺磁特性。
　　 (2)报道通过简单的水热合成方法在低温(140℃)条件下成功制备了高质量的一维Zn1-xNixO和Zn1-xCoxO稀磁半导体；结构分析表明所制备的样品为单晶纤锌矿结构，在纳米棒中不含其它杂相；PL谱测试表明纯ZnO和掺杂ZnO均在386nm处有个强的紫外发射峰；通过SQUID测试表明样品具有明显的室温铁磁特征，其中Zn0.95Ni0.05O样品的饱和磁化强度和矫顽场分别为高达0.4emu/g，~72 Oe,Zn0.95Co0.05O纳米线样品的饱和磁化强度和矫顽场分别为达0.1emu/g，~70Oe；我们认为掺杂ZnO样品室温铁磁性的原因是自由离域化载流子与Ni离子或Co离子中定域化的d自旋相互作用结果引起的；结合样品的光学性能和室温铁磁性能，ZnO基稀磁半导体纳米线将在将来自旋电子器件中具有潜在应用。
　　 (四)采用一维半导体纳米材料作为模块构建了一系列功能性纳米器件：
　　 (1)利用ZnO纳米锥构建了ZnO紫外光电探测器，器件对360nm紫外光具有较好的响应；第一次报道利用单根PbSe纳米管器件制备超级微型近红外光电探测器，器件具有良好的光响应和较低的操作电压(2V)，单根纳米管的响应度约12.5mAW–1；我们结果表明PbSe纳米管光电探测器作为高速，低能耗探测器应用于成像和通信领域具有重要意义。
　　 (2)首次成功发展了一种简单，快速可靠以及可重复的室温条件下工作的ZnO纳米棒化学气体传感器，并研究了器件对氨气和乙醇气体的传感特性；结果表明器件在室温条件下就有高的灵敏度和快速响应时间，与传统薄膜型气体传感器相比(工作温度300～600℃)，大大降低了气体传感器的工作温度，该器件将在环境危险气体以及安全监测方面具有重要应用前景。
　　 (3)开发了一种简单，廉价的合成CuPc有机半导体纳米线的方法，采用液相自组装方法首次报道在室温条件下大量合成了CuPc有机半导体纳米线；并利用CuPc有机半导体纳米线作为液相处理纳米结构材料的示例制备了光开关及场效应晶体管，器件可通过控制红外灯的开/关而在不同电导状态快速可逆转换，场效应晶体管的迁移率为~0.02cm2/Vs，我们的结果表明自组装CuPc 有机半导体纳米线将在制备廉价的大面积电子元件以及分子和柔性电子器件方面具有重要的应用前景。