ZnO基納米結(jié)構(gòu)MOCVD法可控生長及微結(jié)構(gòu)與機(jī)理分析.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能為60 meV，是制備半導(dǎo)體發(fā)光器和半導(dǎo)體激光器的理想材料。ZnO納米材料具有豐富的結(jié)構(gòu)形態(tài)、廣闊的應(yīng)用前景和科學(xué)研究價(jià)值。實(shí)現(xiàn)納米光電器件和電子器件的重要一步是實(shí)現(xiàn)不同ZnO納米結(jié)構(gòu)的可控制備。另一方面，ZnO納米結(jié)構(gòu)隨材料尺度的減小會表現(xiàn)出許多不同于塊體材料的特殊物理效應(yīng)，如量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等

2、，各種新穎的納米結(jié)構(gòu)的制備、結(jié)構(gòu)表征以及性能分析成為納米ZnO研究的一個熱點(diǎn)。此外，ZnO納米結(jié)構(gòu)的摻雜與合金化研究是最終實(shí)現(xiàn)ZnO納米光電子器件的一個重要方向，引起了人們的廣泛關(guān)注。 本文采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD：Metal Organic Chemical VaporDeposition)方法探索了不同形式(量子點(diǎn)、納米晶顆粒、以及一維納米結(jié)構(gòu)>和不同形貌(納米棒，納米管以及納米墻)的ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長參數(shù)，

3、研究了不同流量和溫度對形成不同納米結(jié)構(gòu)的影響。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自組裝ZnO納米形貌的可控生長，并且深入分析了其形成機(jī)理；進(jìn)行了摻Mg合金化納米結(jié)構(gòu)的研究，深入探討了合金元素對納米結(jié)構(gòu)的形貌、微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能等的影響?，F(xiàn)簡要介紹如下： 1.利用低壓MOCVD方法探索ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長工藝。本文通過改變生長溫度、反應(yīng)物摩爾流量等參數(shù)，分析了ZnO量子點(diǎn)、納米晶薄膜、以及一維納米結(jié)構(gòu)等三種形式的納米結(jié)構(gòu)的制備條件及生長機(jī)理。在流量

4、較小時(shí)，生長受動力學(xué)控制，晶粒隨襯底溫度的升高而增大，從量子點(diǎn)向納米晶薄膜轉(zhuǎn)變。當(dāng)流量增大時(shí)，納米晶薄膜向納米棒轉(zhuǎn)變。隨著流量的進(jìn)一步增大，c軸擇優(yōu)取向生長進(jìn)一步增強(qiáng)，納米棒的直徑減小，形成ZnO納米線。 2.通過對富鋅情況下生長的樣品研究，揭示了不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)(納米棒，納米管以及納米墻)之間的關(guān)系，以及它們形成的原因。由于ZnO<,x>(x<1)的熔點(diǎn)較低，所以當(dāng)襯底溫度較高時(shí)，該最核層會發(fā)生蒸發(fā)和薦吸附現(xiàn)象，從而造

5、成了納米棒結(jié)構(gòu)向空心豹納米管結(jié)構(gòu)和納米墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。 3.優(yōu)化生長工藝，制備出形貌新穎的層片狀ZnO納米棒陣列陣列。XRD、Raman測試表明，層片狀納米棒具有很好的晶體質(zhì)量。XPS表明樣品表面存在比較多的表面態(tài)。TEM分析表明層片狀ZnO納米棒是一個單晶整體。PL光譜研究表明，近帶邊峰主要來自于表面激子發(fā)射。通過場發(fā)射性能的研究，提出樣品表面較多的表面態(tài)引起所載流子局域化效應(yīng)是影響場發(fā)射性能的重要原因。 4.采用一種全

6、新的摻雜方法，即用六水硝酸鎂為Mg源，實(shí)現(xiàn)了ZnMgO納米結(jié)構(gòu)的制備。制備出了直徑分布均勻，排列整齊的ZnMgO納米棒；實(shí)現(xiàn)了Mg成分在單根納米棒內(nèi)的均勻分布。Mg的含量可以達(dá)到12.7 at.％。我們對單根納米棒進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)Mg含量偏差在0.5 at.％之內(nèi)。通過對制備過程的剖析，我們分析了實(shí)驗(yàn)所涉及到的化學(xué)反應(yīng)過程，并提出了ZnMgO納米棒的生長機(jī)理。 5.在Si襯底的同一區(qū)域制備出ZnMgO折疊納米片和準(zhǔn)納米管的混合

7、結(jié)構(gòu)?；谖⒔Y(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，提出ZnMgO納米片(1210)面的折疊是由于生長前沿的反應(yīng)物的濃度起伏，生長方向沿<10-10>晶向的六個對稱方向隨機(jī)改變造成的。 6.改變有機(jī)源DZE載氣的流量，得到Mg含量分別為2.5、1.2、0 at.％的ZnMgO折疊納米片和準(zhǔn)納米管的混合結(jié)構(gòu)。隨著Mg含量的增多，PL譜近帶邊發(fā)射峰發(fā)生了微小的藍(lán)移，這是由于Mg的摻入引起的禁帶寬度增大；帶邊峰/可見光峰強(qiáng)度之比降低，這表明Mg摻入會造成樣品

8、晶體質(zhì)量的下降。Raman測試表明：第一，E<,2>(high)峰隨樣品中Mg含量的增多，發(fā)生了微小的寬化和紅移；第二，E<,1>(LO)振動模的強(qiáng)度隨Mg含量的增大而增強(qiáng)。這是因?yàn)樘娲腗g<'2+>與Zn<'2+>相比具有不同的半徑，Mg雜質(zhì)的摻入打破了晶體原有的平移對稱性，從而在晶格中引入了氧空位等微缺陷而造成的。 7.在Mg含量為2.5 at.％的ZnMgO納米片中觀察到柏格斯矢量為1/3<11 23>的具有[0001]