CVD法ZnO/Mg(NO3)2/Si制备ZnO纳米结构材料的研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，室温下其带隙宽度为3.37 eV，而且具有高达60 meV的激子束缚能。ZnO是一种优质的压电、气敏及光电材料，已被广泛的运用于光电子设施、发光二极管、催化反应和气体传感器当中。目前，研究者已经利用化学气相沉积法、液相法、模板法、射频磁控溅射法、金属有机气相外延法、分子束外延法等制备出包括如柱状、线状、棒状、带状、管状、环状、四角状、花状等多种形貌的ZnO微/纳米结构[1-8]。
　　本文采用CVD法在处理过的Mg(NO3)2/Si衬底上成功的制备了圆柱状、六方柱状、四角状以及Mg掺杂铅笔状氧化锌微/纳米结构。用多种测试手段详细分析了ZnO微/纳米材料的微观结构、组分、形貌和光致发光特性。另外，我们还研究了MgO层对ZnO微/纳米结构生长的影响，以及镁掺杂对铅笔状 ZnO微纳米结构性质的影响。本研究主要成果归结如下:
　　1.圆柱状 ZnO微/纳米结构
　　预先在Si(111)衬底上退火生成一层 MgO，然后用CVD法在水平管式炉中制备出圆柱状 ZnO微/纳米结构。Si(111)衬底上方的MgO缓冲层提高了ZnO/Si的晶格匹配度，促进了氧化锌微/纳米柱的形成。ZnO微/纳米柱的直径在85-900 nm，长度为200 nm-3μm。在本文中，根据不同时期的圆柱状氧化锌的图像，我们详细的分析了其生长机制和光致发光特性。
　　2.六方柱状 ZnO微纳米结构
　　我们采用CVD法在附有MgO层的硅衬底上制备出两种类型六方柱状 ZnO微/纳米结构:一种为规则的单层六方微/纳米柱；另一种为双层的六方微/纳米柱(双向六方柱状)。整个微/纳米结构都是单晶体，生长方向为[0001]。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、选区电子衍射(SAED)和光致发光谱(PL)等测试手段对其结构、光学性质、以及生长机制进行了分析。
　　3.四角状 ZnO微/纳米结构
　　以ZnO和活性C为原料，在附有MgO层的Si(111)衬底上利用CVD法首次制备了四角状 ZnO微/纳米结构。此结构新颖之处在于，在每个角上都长有一个具有规则外形的小六方柱，该独特的结构必将成为ZnO微/纳米家族的一个新成员。通过对这些颗粒表征可以发现，该四角状结构属于六方单晶纤锌矿结构，生长方向从角的[0001]方向转变为小六方柱的[0111]。基于八面体模型和多极性面模型理论，我们对四角状结构的生长进行了可行的解释。
　　4. Mg掺杂铅笔状 ZnO微/纳米柱结构
　　由于室温下强烈的紫外散射，氧化锌六方柱在短波发光光子器件上有着潜在的应用。随着 ZnO基器件的发展，为了更好地实现其光电子特性，进行适当的掺杂是非常有必要的。我们用简单的CVD法成功的制备出 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱。通过镁掺杂，该微/纳米柱的禁带宽度和紫外发光强度得到了有效的调整[9]。这种简单的方法制备出的Mg掺杂 ZnO微米柱具有产量高、结晶好、成本低、发光特性好等特点，这将大大有利于工业的生产。

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第一章 绪 论

1.1 ZnO的基本性质

1.2 ZnO纳米材料的性质与应用

1.3 ZnO纳米材料的研究现状

1.4 Mg(NO3)2和MgO的性质和应用

1.5 ZnO纳米材料的制备方法

1.6 本论文的选题依据

第二章 实验设备与测试方法

2.1 实验设备介绍

2.2 实验材料

2.3 样品的测试和表征

第三章 圆柱状ZnO微/纳米结构的制备和特性研究

3.1 ZnO圆柱的制备

3.2 ZnO圆柱的表征及其特性分析

3.3 ZnO圆柱光学特性分析

3.4 ZnO圆柱生长机制的探索

第四章 六方柱状ZnO微/纳米结构的制备和机理研究

4.1 ZnO六方柱的制备

4.2 ZnO六方柱的表征及其特性分析

4.3 ZnO双层六方柱光学特性分析

4.4 ZnO六方柱生长机制的探索

第五章 四角状ZnO微/纳米结构的制备和机理研究

5.1 四角状ZnO结构的制备

5.2 四角状ZnO结构的表征及其特性分析

5.3 四角状ZnO结构的生长机制的探索

第六章 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱的制备和特性研究

6.1 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱的制备

6.2 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱的表征及其特性分析

6.3 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱光学特性分析

6.4 Mg掺杂铅笔状微/纳米柱生长机制的探索

第七章 全文总结及对今后研究工作的建议

参考文献

论文作者在学期间发表的学术论文目录

致谢