ZnO纳米阵列与聚合物材料复合器件的界面特点和载流子传输机制研究

摘要

短波光源在高密度信息存储、光刻技术和照明系统中均有广泛应用，对其性能的要求也越来越高，ZnO的发光波长比GaN更短，发光能量更高，是研究短波发光器件的一颗新星。但由于ZnO存在p型掺杂的世界性难题，所以其电致发光二极管的研究工作进展缓慢。与之相比，由于纳米材料特殊的光、电、磁、力等性能，使得ZnO纳米结构的合成和应用研究越来越广泛。我们课题组利用ZnO纳米阵列与有机材料复合，已经率先开发出一种ZnO的紫外发光器件。但是该工作存在若干问题:①水热法合成ZnO纳米阵列的影响因素很多，仍需完善;②ZnO纳米阵列结构复杂，阵列表面粗糙度大，有机层在它上面的成膜质量不佳;③关于有机无机复合界面研究甚少，导致该器件的载流子输运及发光机理不明确。本文针对以上问题做了如下研究工作。
　　首先，通过对两步低温水热法的工艺研究进一步完善了ZnO纳米阵列的生长参数。实验发现:一、初始阶段较缓慢的升温速度，有利于ZnO纳米阵列的取向性生长，且不会在反应初期就耗尽大量营养液，生长出的阵列单分散性较好，长度也更长。二、衬底晶种面小角度向下倾斜放置，既可以排除自由形核生长的大尺寸氧化锌在阵列表面的沉积附着，又可以摆脱前驱液加热反应过程中生成气体的吸附作用，从而使阵列表面干净平整，利于有机材料的成膜。
　　其次，为了研究ZnO阵列表面有机材料的成膜完整性和器件的载流子输运机理，本文采用多种高分子聚合物与ZnO复合的方式制作器件。实验结果发现聚合物分子式的结构和分子量大小是决定该聚合物是否能完整覆盖阵列表面的关键性因素，分子链尺寸越大且越容易缠连在一起的高分子聚合物，更容易实现阵列表面的完整覆盖。因此我们最终选择聚合物MEH-PPV与ZnO阵列制作成有机无机复合器件，并实现了氧化锌的电致发光，其主要发光峰来源于氧化锌的带边激子辐射，中心波长位于380nm。根据器件的电荷密度分布示意图，得知该器件的载流子是通过尖端隧穿注入的方式实现复合发光。
　　最后，本文对ZnO纳米阵列型薄膜的表面粗糙度和镀膜质量做了一些初步研究。在阵列上镀膜的方式主要有两种，一是直接镀膜，二是填充阵列间隙后镀膜。对这两种模型计算后发现:方法一可以增大器件的有效接触面积;方法二虽然减小了器件的有效接触面积，但是其制作出的器件稳定性更好。此外在研究方法二的制膜过程中，本论文首次采用湿刻技术（比如浓盐酸熏蒸、低浓度盐酸旋涂等）去除暴露出电介质的阵列顶端，在一定程度上减小了阵列表面粗糙度。

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致谢

摘要

序

1 引言

1．1 ZnO的基本性质

1．2 纳米材料基本特性

1．3 ZnO纳米结构的光电性能

1．3．1 场发射性能

1．3．2 电输运性能

1．3．3 光学性能

1．3．4 压电性能

1．3．5 光电性能

1．4 本论文的研究进展和意义

1．5 本论文的研究内容

2 ZnO阵列的合成与表征

2．1 ZnO纳米阵列常用制备法

2．2 水热法生长ZnO纳米阵列

2．2．1 ZnO纳米阵列生长流程

2．2．2 ZnO水热生长机理

2．3 ZnO阵列形貌及影响因素

2．3．1 影响因素介绍

2．3．2 升温速度对形貌的影响

2．3．3 晶种面朝向对形貌的影响

2．4 结晶及光谱特性

2．4．1 XRD表征结晶特性

2．4．2 氧化锌阵列的吸收光谱

2．4．3 氧化锌阵列的光致发光谱

2．5 本章小结

3 ZnO与聚合物复合发光器件

3．1 器件材料和测试手段

3．1．1 电极材料的选择与制作

3．1．2 ZnO复合材料的选择与制膜

3．1．3 器件测试手段

3．2 器件结构与测试结果分析

3．2．1 简单薄膜器件

3．2．2 ZnO阵列器件

3．3 本章小结

4 纳米阵列的表面研究

4．1 阵列有效接触面积比的计算

4．1．1 直接制膜

4．1．2 填充间隙后制膜

4．2 间隙填充法改善阵列表面粗糙度

4．2．1 电介质填充ZnO阵列条件

4．2．2 盐酸蚀刻法优化间隙填充效果

4．3 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

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