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氧化锌(ZnO)是一种传统的宽禁带半导体材料。由于其在很多领域展示出的优异性能和应用前景,ZnO近年来受到了广泛的关注。目前,利用可控生长和掺杂制备出具有特定物理性质的ZnO纳米结构或薄膜仍然是ZnO研究工作的一个重点。
溶液法是一种简便而经济的制备ZnO的方法。与其他方法相比,溶液法不需要昂贵的设备和复杂的实验操作。由于生长在溶液中进行,整个基底可以保持一致的温度。而且,生长所需的温度较低,温度的波动也很小。另外,由于ZnO的c轴具有极性,通过施加外电场可以有效控制ZnO在溶液中的生长。在此背景下,本论文发展了一种电场辅助的溶液法来进行ZnO纳米结构和薄膜的可控生长和掺杂。
首先,电场辅助的溶液法被用于制备ZnO纳米结构。于硝酸锌(zn(NO3)2·6H2O)和六次甲基四胺(HMT,C6H12N4)的水溶液中施加外电场,在Si基底上生成了ZnO纳米棒和纳米管阵列。这些纳米棒和纳米管沿c轴生长,直径在102nm量级。制备过程中无需事先沉积ZnO颗粒作为种子。对比实验表明,外加电场可以使ZnO纳米棒和纳米管阵列有较好的定向性,并与基底有较强的结合。改变实验条件,如基底材料和反应时间,可以获得各种ZnO的复杂纳米结构。例如,在Cu基底上制备出ZnO纳米锥阵列,并发现这些纳米锥在强场下可以发射电流。它们的末端较为尖锐,所以具有一定的场发射能力。
其次,用电场辅助溶液法进行了ZnO纳米结构和薄膜的掺杂。使用含有Li元素的溶液,在不同的实验中,分别在作为阴极的n型Si基底和作为阳极的Zn片上制备了ZnO纳米棒阵列和薄膜并实现了p型掺杂。对它们进行了二次离子质谱(SIMS)和拉曼谱(Raman)分析,证实Li元素进入了它们的内部。在ZnO纳米棒和n型Si基底之间加电压并测量相应的电流,所得的I-V曲线具有明显的整流特性,说明ZnO纳米棒已经被转化为p型半导体。也测量了这些纳米棒的光致发光谱(PL)和电致发光谱(EL)。Zn片上的ZnO薄膜是由Zn的电化学氧化和ZnO的溶解两个过程同时作用形成的。测试了样品的极化强度随外电场的变化(P-E曲线),得到了明显的电滞回线,表明样品具有铁电性。铁电性是由于Li离子取代Zn离子,占据了偏离氧四面体中心的位置而产生的。据我们所知,用阳极氧化法制备ZnO铁电薄膜,目前尚无先例。
除了上述关于ZnO和电场辅助的溶液法的工作,还将Cu片和KOH溶液在常温下反应,得到了CuO纳米花阵列。我们认为CuO纳米花的形成包含了氧化、配位体形成、聚合、奥斯特瓦尔德熟化和溶解等过程。纳米花是由很多纳米尺度的片状花瓣组成的,每个花瓣在末梢又分叉成尖端。这些锐利的尖端可以产生较高的场增强因子,在实验中也确实测得了CuO纳米花阵列的场发射。与其它制备CuO场发射阴极的方法相比,这种制备方法的突出优点是操作简单、成本低廉。