ZnO晶體形貌調(diào)控、離子摻雜及其生長動力學(xué).pdf

1、ZnO作為寬禁帶氧化物半導(dǎo)體具有優(yōu)異的光學(xué)性能，近年其發(fā)光性能、磁學(xué)特性的研究成為熱點。本文在水熱條件下，系統(tǒng)研究了礦化劑、金屬離子對ZnO晶體生長特性的影響，獲得了較高濃度磁性金屬離子摻雜的ZnO半導(dǎo)體，并進行了光、電、磁學(xué)性能的表征。利用基于密度泛函理論的第一性原理，從原子層次探討了水熱合成纖鋅礦ZnO晶體形態(tài)的物理機制。主要研究結(jié)果如下：
　　1、用強堿性化合物（KOH、NaOH）作為礦化劑時，氧化鋅晶體顯現(xiàn)極性生長特征，C

2、軸方向生長速度較快，有利于晶體生長，但快速的極性生長容易出現(xiàn)更多缺陷。而鹽類礦化劑（KBr、NaCO3）條件下因為ZnO溶蝕度低，晶體生長相對較慢。在強堿性礦化劑的反應(yīng)體系中分別加入適量的LiOH、CaO、Mg(OH)2，可以抑制ZnO晶體C軸方向生長速度。其中添加CaO制備的ZnO晶體發(fā)光光譜中有較強的紫外帶間躍遷發(fā)光。
　　2、在強堿性礦化劑的反應(yīng)體系中添加適量金屬離子（Sb、Sn、In）可以控制ZnO晶體的形貌。其中添加Sn

3、、In離子時，ZnO晶體C軸生長速度明顯低于a、b軸，晶體始終大面積顯露{0001}晶面，并且表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。其中添加In離子制備的ZnO晶體發(fā)光光譜中有較強的紫外帶間躍遷發(fā)光。而添加Sb離子時，生成晶體完全不顯露{0001}和{000}面。
　　3、填充度35%條件下，反應(yīng)體系中分別加入MnCl2、CoCl2·6H2O，采用磁選分離對合成產(chǎn)物進行處理，分別得到了Mn摻雜濃度7%，Co摻雜濃度0.64-2.87%的均勻摻雜Z

4、nO晶體，SQUID測量表明，這些均勻摻雜Mn、Co的ZnO晶體分別表現(xiàn)出反鐵磁性和順磁性，生成產(chǎn)物中同時伴生鐵磁性Co單質(zhì)存在。
　　4、為了提高Co摻雜濃度，采用耐壓性能更好的反應(yīng)釜，將填充度提高到70%，在反應(yīng)體系中添加CoO，合成產(chǎn)物經(jīng)磁選分離后獲得了Co:Zn最高超過10at%的高濃度Co均勻摻雜ZnO晶體，測試結(jié)果表明該晶體表現(xiàn)出順磁性。
　　5、利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，對水熱合成纖鋅礦ZnO晶體形

5、態(tài)的物理機制進行了理論研究。分析了纖鋅礦ZnO晶體的原子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，并利用烏爾夫定理得到平衡態(tài)ZnO晶體形態(tài)圖。構(gòu)建金屬原子在極性和半極性表面上-的吸附結(jié)構(gòu)模型，計算K、Na、Li、Ca、Mg五種金屬原子在負極面（000）和負錐面1）的O原子截斷面上單類和混合吸附后的表面能的變化，并預(yù)測吸附后ZnO晶體形態(tài)圖。從原子層次探討了水熱合成ZnO晶體形態(tài)的物理機制，我們認為添加劑中的金屬原子對其表面懸掛鍵的飽和作用，直接影響表面能

6、的大小，進而影響最終生成的晶體形態(tài)。
　　主要創(chuàng)新：
　　1、弄清了礦化劑離子以及金屬離子對ZnO晶體極性生長的影響關(guān)系，建立了水熱條件下ZnO晶體形貌調(diào)控技術(shù)路線。
　　2、在水熱條件下實現(xiàn)了Mn/Co高濃度均勻摻雜，得到了高濃度均勻摻雜的高質(zhì)量ZnO晶體，證實在Mn（Co）摻雜濃度超過7at%（10at%）時ZnO晶體不會產(chǎn)生鐵磁性。
　　3、利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，從原子層次探討了水熱合成Zn