一維半導體納米結(jié)構(gòu)的組分調(diào)制及其納米信息器件研究.pdf

1、一維半導體納米結(jié)構(gòu)是構(gòu)建集成器件最基本的結(jié)構(gòu)單元，以其優(yōu)異的物理化學性質(zhì)在新型納米光電器件研究中有著重要的應用價值和廣闊的前景，吸引了科學界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。決定半導體性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)有很多，其中，帶隙是決定半導體材料性質(zhì)的最關(guān)鍵參數(shù)之一，影響半導體材料的吸收和發(fā)射特性。然而自然界中存在的半導體材料種類非常有限，材料帶隙的局限性給半導體納米信息器件的應用帶來很多不便。研究人員為了克服天然半導體材料帶隙的所帶來的局限性，進行了很多帶隙調(diào)制

2、方面的出色研究工作。拓寬了可用材料的帶隙范圍，為下一步基于材料帶隙的研究工作提供了廣闊的空間。同時，研究人員通過實驗手段將不同帶隙的半導體材料在單基片上集成，并且實現(xiàn)帶隙連續(xù)遞變，為大規(guī)模集成器件應用邁出了重要一步。甚至，在單納米線尺度上實現(xiàn)了帶隙的連續(xù)可調(diào)?？紤]到在納米尺度下帶隙調(diào)制的重要性，為了進一步深入研究帶隙多樣化在納米信息器件中的優(yōu)異性能，基于單納米結(jié)構(gòu)的帶隙調(diào)制工作值得不斷深入研究和討論。
　　本論文利用常用的納米材料

3、制備手段，例如，化學氣相沉積法和水熱法等通過改進實驗裝置制備出了具有特殊帶隙結(jié)構(gòu)的一維半導體納米結(jié)構(gòu)，特別是在單個納米結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了帶隙調(diào)制。同時，利用這些獨特的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計并構(gòu)建了幾種新型的納米信息器件，對相應的器件性能進行了系統(tǒng)研究。代表性研究成果歸納如下：
　?。?）將步進電機輔助反應源移動裝置整合到傳統(tǒng)化學氣相沉積系統(tǒng)中，在高溫條件下實現(xiàn)了固體粉末源的替換。利用這一裝置，首次設(shè)計并實現(xiàn)了組分對稱遞變CdSxSe1-x(x=0

4、~1)合金納米線，實現(xiàn)了沿納米線軸向帶隙對稱調(diào)制。這些高結(jié)晶質(zhì)量的納米線，構(gòu)成了天然的一維諧振腔，用于制作納米線激光器。更加重要的是，設(shè)計了獨特的"寬-窄-寬"對稱帶隙遞變結(jié)構(gòu)，這種納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光沿軸向從中間的紅色（CdSSe合金）向兩端逐漸遞變到綠色（CdS）。研究表明，在組分對稱遞變納米線中光從中間向兩端帶隙增加的方向傳輸時，類似于無源波導過程，這樣有效地降低了由于自吸收導致的能量損耗問題。相比較傳統(tǒng)均一組分納米線，利用這種對稱結(jié)構(gòu)

5、構(gòu)建的納米線激光器的閾值大大降低。這也是我們首次報道了通過有效降低光在傳輸過程中的自吸收損耗來減小納米線激光器閾值。
　?。?）利用化學氣相沉積法，通過改進實驗方案，制備了軸向納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。本實驗過程克服了高溫腔體內(nèi)固體粉末蒸發(fā)源難于控制的難題，成功合成了單異質(zhì)結(jié)CdS/CdSxSe1-x，雙異質(zhì)結(jié)CdS/CdSxSe1-x/CdS納米線，窄CdSxSe1-x段異質(zhì)結(jié)納米線等一系列異質(zhì)結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)表征說明這些納米線具有很高的結(jié)晶

6、質(zhì)量，高分辨電鏡結(jié)果也證實界面非常清晰。我們利用共聚焦近場光學顯微鏡對材料的光學性質(zhì)進行系統(tǒng)表征，當激光在納米線中部激發(fā)時，光向納米線兩端部傳播過程，可以最大限度避免自吸收導致的能量損耗，大大提高傳輸效率，是一個理想的無損耗波導腔。同時，我們通過實驗對比研究了傳統(tǒng)組分均勻合金納米線、組分對稱遞變納米線和異質(zhì)結(jié)納米線的波導損耗情況，結(jié)果表明光在納米線中傳播相同距離后，異質(zhì)結(jié)納米線的波導損耗最小。利用這些特殊的帶隙突變結(jié)構(gòu)，我們在室溫下實現(xiàn)

7、了高質(zhì)量的納米激光器，并且這些納米激光器具有低閾值，窄線寬等優(yōu)異的性能。
　?。?）利用化學氣相沉積方法，通過多步反應合成了一種CdS0.49Se0.51/CdS0.91Se0.09合金納米帶橫向異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。這種異質(zhì)結(jié)納米帶中間組分是合金CdS0.91Se0.09，兩邊外延生長了CdS0.49Se0.51，并且沿單個納米帶寬度方向?qū)崿F(xiàn)帶隙的躍變。在紫外光照射下，單納米帶的兩側(cè)發(fā)光為紅色，中間部分發(fā)光為綠色，分別對應來自于不同組分的

8、帶邊發(fā)射，沿其寬度方向呈現(xiàn)出"紅-綠-紅"的三明治結(jié)構(gòu)。基于這一特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用電子束曝光技術(shù)制成異質(zhì)結(jié)光探測器，對比純組分CdS納米帶光探測器，異質(zhì)結(jié)納米帶探測器具有寬的光譜探測范圍(FWHM160nm)，高的靈敏度(1.16×103A/W)，高的開關(guān)比（106），高的量子效率（106）。
　?。?）通過多步化學法合成了一種半導體-電介質(zhì)-金屬（CdS-SiO2-Au）復合納米結(jié)構(gòu)，研究了由于表面等離子體共振導致CdS帶邊發(fā)