单晶ZnO中杂质与缺陷的发光光谱研究

摘要

制备高光电性能的p-ZnO，是ZnO基光电器件走向实用化的基础和先决条件。深入了解ZnO中本征缺陷和杂质的行为，对高性能p-ZnO的获取有重要的指导意义。光致发光(PL)是研究ZnO杂质和缺陷行为最行之有效的有段之一。获得良好的单晶ZnO是开展高分辨率PL研究的基础。本工作主要以ZnO单晶纳米棒和ZnO单晶薄膜为研究对象，通过水热法原位掺杂和离子注入法对单晶ZnO进行Na掺杂，研究其光致发光性质，旨在对ZnO缺陷和杂质行为进行探索。主要研究结果如下:
　　(1)优化实验参数，采用CVD法生长ZnO纳米棒阵列，在氧气中快速退火，测试其低温PL谱并进行分析。我们发现800℃快速退火10min后，ZnO晶体质量显著提高，并引入了3.357eV的双激子发射峰。未退火样品中A线是FX-LO伴线和FA跃迁共同作用的结果，随着温度的升高，FX-LO伴线与FA跃迁存在竞争关系。退火后样品A线是FX-LO伴线引起的。
　　(2)对CVD生长的ZnO纳米棒低温PL谱进行分析，发现了高强度的带精细结构的绿光发射。通常认为该绿光发射源于Cu杂质，但我们并未观察到该发光与Cu杂质含量的确切对应关系。该绿光峰出现了负温度淬灭效应，并分离出一个～128meV的陷阱能级和一个～370meV的深受主能级。我们建立了一多能级模型图解释了该实验结果。
　　(3)对水热法生长的ZnO∶Na纳米棒进行低温PL分析，发现一个位于3.23eV的DAP复合发光峰，计算得到Na的受主能级为～170meV。通过两种不同的退火方式进行比较，发现快速退火更加有利于ZnO中的Na掺杂。
　　(4)对Na离子注入MBEZnO单晶薄膜进行低温PL分析，发现一个位于3.1eV的DAP复合发光，推算得到一个～300meV的Na相关受主能级。
　　(5)通过表面SIMS扫描测试，分析了CVD法生长ZnO过程中引入的非故意掺杂杂质以及退火后杂质的变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 ZnO的基本性质

1．2．1 ZnO的晶体结构

1．2．2 ZnO的基本物理性质

1．3 一维ZnO纳米单晶的制备

1．3．1 气相生长法

1．3．2 液相生长法

1．3．3 模板辅助生长法

1．4 ZnO光致发光的性质研究

1．4．1 激子复合发光

1．4．2 杂质缺陷能级发光

1．5 Na掺杂单晶ZnO的研究

1．5．1 ZnO的P型掺杂

1．5．2 Ⅴ族元素在ZnO中的p型掺杂

1．5．3 Ⅰ族元素在ZnO中的p型掺杂

1．5．4 Na掺杂P型ZnO中的研究现状

1．6 本文主要研究内容和思路

第二章 实验内容与性能表征

2．1 引言

2．2 CVD法制备ZnO纳米线的原理和过程

2．2．1 实验原理

2．2．2 生长设备

2．2．3 实验步骤

2．3 水热法生长ZnO纳米棒的原理和过程

2．3．1 实验原理

2．3．2 实验步骤

2．4 Na离子注入ZnO

2．5 退火方法与条件

2．5．1 退火原理

2．5．2 退火设备

2．5．3 退火条件与步骤

2．6 材料表征

2．6．1 扫描电镜(SEM)

2．6．2 X射线光电子能谱(XPS)

2．6．3 二次离子质谱(SIMS)

2．6．4 光致发光(PL)谱

第三章 CVD法生长ZnO单晶纳米线的发光性质

3．1 引言

3．2 CVD法生长ZnO纳米线及其表征

3．2．1 ZnO纳米棒的生长

3．2．2 形貌(SEM)表征

3．2．3 退火处理

3．2．4 光致发光(PL)谱测试

3．2．5 二次离子表面质谱(表面SIMS)测试

3．3 ZnO单晶纳米线的发光性质研究

3．3．1 双激子发射

3．3．2 缺陷发光的精细结构

3．4 本章小结

第四章 Na掺杂ZnO单晶的发光

4．1 引言

4．2 水热法生长ZnO(ZnO：Na)单晶纳米棒及其性能表征

4．2．1 ZnO纳米棒的生长

4．2．2 ZnO：Na纳米棒的生长

4．2．3 形貌(SEM)表征

4．2．4 退火处理

4．2．5 光致发光(PL)谱测试

4．2．6 二次离子质谱(SIMS)测试

4．2．7 X射线光电子能谱(XPS)测试

4．3 ZnO单晶纳米棒的发光性质研究

4．3．1 ZnO纳米棒的发光性质

4．3．2 ZnO：Na纳米棒的发光性质

4．4 Na离子注入ZnO薄膜的发光性质研究

4．4．1 Na离子注入ZnO薄膜及其退火处理

4．4．2 ZnO：Na薄膜的发光性质

4．5 本章小结

第五章 退火对ZnO单晶纳米棒掺杂性能及光学性质的影响

5．1 引言

5．2 退火对ZnO纳米棒掺杂的影响

5．2．1 退火引起的非故意掺杂

5．2．2 退火对水热法生长ZnO纳米棒中Na掺杂的影响

5．3 退火对ZnO单晶纳米棒的光学性质的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间发表的学术论文与取得的其他研究成果