一维Cu掺杂ZnO纳米材料的制备、性能及二次生长研究

摘要

一维纳米氧化锌(ZnO)材料由于其独特的物理与化学性质，在光电器件、自旋电子学以及生物传感等领域具有重大应用潜力，在纳米材料的科学研究中一直广受关注。本文以采用化学气相传输法(CVT)制备的ZnO以及ZnO：Cu纳米线(柱)阵列为基础，系统的研究了ZnO以及ZnO：Cu纳米线阵列的二次生长过程的机理以及其光学、磁学性能，并对Cu掺杂ZnO中磁性的起源做了定性解释。
　　 本文主要研究内容如下：
　　 1.对比了在不同衬底上生长ZnO纳米线阵列的差异。在磁控溅射以及脉冲激光沉积两种物理方法制备的ZnO缓冲层上，实现了对ZnO纳米线阵列尺寸的控制。光致发光谱测试结果表明在ZnO纳米线阵列中存在强烈的表面激子(SX)以及与自由受主相关(FA)的发射峰，磁学性能测试表明ZnO纳米线样品以及(100)Si片上生长ZnO缓冲层并没有室温铁磁性。
　　 2.在可控制备ZnO纳米线阵列的基础上，我们通过在原料中掺入CuO，制备了取向完好的ZnO：Cu纳米柱阵列。变温光致发光谱研究表明Cu的掺入以及高温生长引入了强烈的绿光发射，ZnO的带边发射受到极大抑制，同时晶体中缺陷密度大大增加。在Cu掺杂样品中我们观察到了明显的室温铁磁性，并发现真空热退火可以增强Cu掺杂ZnO中的室温铁磁性。
　　 3.以ZnO，ZnO：Cu纳米线阵列为基础，我们系统的研究了ZnO以及ZnO：Cu材料的二次生长过程，发现了较为独特的岛状形核现象，并结合特征尺寸模型(Rc)对二次生长的机理，半径变化进行了解释。变温光致发光谱研究表明该样品同样存在强烈的绿光发射以及很弱的带边发射，并且我们观察位于3.31eV处的发射峰(A线)以及到位于带边(3.24eV)以及绿光发射区域(2.48eV)的两个不同的施主-受主对(DAP)的发射峰。磁性研究结果表明在该二次生长ZnO：Cu纳米线中存在本征室温铁磁性，磁性的最主要的来源是基于氧空位(V0)与一价和二价铜离子之间的磁束缚激子模型(BMP)或者不同价态Cu离子之间的双交换机制。以制备的ZnO：Cu纳米线为基础，我们对ZnO：Cu单根纳米线场效应晶体管(FET)的制备进行了初步尝试。