ZnO纳米线的热蒸发法制备及其受激辐射研究

摘要

ZnO是一种典型的半导体材料，具有禁带宽度大、激子束缚能高、热稳定性好、无毒无污染等优点。ZnO是一种良好的光电转换材料，也是目前已知的唯一具有半导体和压电体双重特征的材料，因而在微纳电子器件方面具有广阔的发展空间。尤其自从碳纳米管的发现以后，一维ZnO纳米材料已经成为人们研究的焦点。其中ZnO纳米线在纳米光电子器件和纳米电子元器件领域有着巨大的应用价值。另外，高度相干的受激放大表面等离激元辐射（spaser）可视为以等离激元形式存在的―激光‖，是目前纳米光学研究的前沿热点。
　　本文的研究主要集中于生长大长径比的单晶 ZnO纳米线，尝试构成半导体纳米结构/绝缘介质薄膜/金属SIM三层结构体系，探测实现紫外spaser的激射条件。本论文首先采用无金属催化剂的简单热蒸发法在不同衬底（单晶 Si和石英玻璃）上、不同生长温度（600~700℃）下制备了ZnO纳米线。然后采用X射线衍射谱（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM）以及荧光光谱仪等测试手段，研究了 ZnO纳米线的结构、形貌及性能，以及生长温度和衬底种类对ZnO纳米线的结构、形貌及性能的影响。此外，研究了不同的ZnO薄膜过渡层对ZnO纳米线的结构、形貌及性能的影响。ZnO薄膜过渡层选用射频磁控溅射镀膜设备预先在Si衬底上沉积。最后根据一系列实验，对各种制备的ZnO纳米线的生长过程、生长机制进行了讨论和初步解释。
　　本文选用双离子束溅射沉积系统来制备 MgF2和 Al薄膜，并采用原子力显微镜（AFM）对薄膜进行了表面形貌和表面粗糙度表征，探索最适宜的薄膜的制备参数条件，尝试构成ZnO纳米线/绝缘介质薄膜MgF2/金属Al薄膜的SIM三层结构体系，探测实现紫外spaser的激射条件。
　　实验结果显示：
　　1.采用无金属催化剂的简单热蒸发法在不同衬底（单晶Si和石英玻璃）上、不同生长温度（600~700℃）下成功制备得到了大长径比的单晶ZnO纳米线。对不同生长温度和衬底种类条件下生长的ZnO纳米线的结构、形貌及性能进行了研究。XRD结果表明，制备得到的 ZnO纳米线呈现出完美的单晶和六方钎锌矿结构，具有良好的c轴择优取向。且产品的纯度高、结晶质量好。SEM表面形貌图表明，ZnO纳米线大量覆盖在Si衬底和石英玻璃上。且700℃是一系列生长温度中生长ZnO纳米线的最优化温度，在此生长温度下，ZnO纳米线长径比达到最大，约为300（长度约为15um，直径约为50nm）。EDS结果显示，所制备的ZnO纳米线的化学成分中只有锌和氧两种元素，说明ZnO纳米线没有其它杂质的引入。TEM的选区电子衍射（SAED）结果表明，制备的ZnO纳米线为单晶六方结构，沿着c轴方向生长。PL测试结果说明制备的 ZnO纳米线产生两个发光峰：在约387nm（3.20eV）处产生了一个强而尖锐的紫外光发射峰，同时，在467~482nm（2.57~2.66eV）范围内产生一个较弱而宽的蓝光发射峰,分别归因于近带边（NBE）辐射和 ZnO纳米线缺陷（主要是 Zn空位）引起的深能级缺陷发光。研究结果表明，热蒸发法制备 ZnO纳米线的工艺参数中，生长温度对获得ZnO纳米线的结构、形貌及性能的影响较大，而Si衬底和石英玻璃衬底则区别不大。
　　2.采用ZnO薄膜过渡层生长的ZnO纳米线的SEM结果表明，用此方法长出的ZnO纳米线形貌一致，粗细均匀，直径大小几乎均一，即ZnO纳米线生长的均一性和可重复性得到提高。且随着ZnO薄膜过渡层的溅射时间由10min增加到20min，薄膜的表面粗糙度从2.76nm增大到9.25nm，获得的ZnO纳米线的平均直径相应增大，纳米线的质量也更好。
　　3.本文首先采用的无ZnO过渡层的简单热蒸发法制备ZnO纳米线，该方法不引入催化剂，是基于气-固（VS）生长机理。先预镀一层ZnO薄膜过渡层，再在其上生长ZnO纳米线的方法，可以用自催化的气-固（VS）生长机理或者气-液-固（VLS）机理解释。
　　4. MgF2和Al薄膜的原子力显微镜（AFM）表征结果显示，在辅源能量为200eV，溅射时间为5min时，得出的 MgF2薄膜表面粗糙度最小，表面最均匀，在辅源能量为200eV，溅射时间为5min时，得出的Al薄膜同样表面粗糙度最小，表面最均匀。因此该工艺参数制备出来的薄膜满足SIM器件的构成对薄膜质量的要求。

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第一章 引 言

1.1 引言[1]

1.2 ZnO的结构与性质

1.3 一维ZnO纳米材料的应用

1.4 ZnO纳米材料的制备技术

1.5 本论文工作的意义和主要内容

参考文献

第二章 样品的制备和表征

2.1 ZnO纳米线的制备

2.2 ZnO薄膜过渡层的制备[3]

2.3 SIM三层结构的构成[4,5]

2.4 样品的表征与测试分析

参考文献

第三章 ZnO纳米线的结构、形貌及性能[1, 2]

3.1 生长温度对ZnO纳米线的结构、形貌及性能的影响

3.2 衬底对ZnO纳米线的结构、形貌及性能的影响

3.3 本章小结

参考文献

第四章 使用ZnO薄膜过渡层生长的ZnO纳米线的结构、形貌及其性能[1]

4.1 ZnO薄膜过渡层的制备

4.2 采用ZnO薄膜过渡层的ZnO纳米线的制备及其表征

4.3 ZnO纳米线的生长过程讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 SIM三层结构的制备

5.1 介质薄膜MgF2和金属Al薄膜的制备

5.2 介质薄膜MgF2的AFM表征

5.3 金属Al薄膜的AFM表征

5.4 SIM三层结构

5.5 本章小结

参考文献

第六章 结 论

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢