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作为一种直接带隙结构的Ⅱ-Ⅵ族新型宽禁带半导体材料,室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV。另外,ZnO还具有原料丰富、成本低廉、自然环保等优点,使其在紫外光电领域具有巨大的应用前景。低维ZnO纳米材料因其独特形貌结构和优异特性,引起了全球科研人员的极大关注。虽然对ZnO纳米材料的研究已经开展了许多,并取得了可喜的成果,但于不同纳米结构ZnO的可控合成、掺杂调控及器件制备等方面仍存在许多困惑。
本文工作利用水热法合成制备出不同形貌的ZnO纳米结构材料,包括一维梭形ZnO纳米材料和一维ZnO纳米棒阵列材料,以及用水热法合成Mg掺杂ZnO基纳米阵列材料。同时,对材料的性能进行了各种表征测试分析。主要研究结果概述如下:
(1)利用水热法在一定反应条件下所制备的一维ZnO纳米梭材料,形貌高度一致、尺寸十分均匀,且工艺稳定可靠,可批量重复性合成制备。通过对一维ZnO纳米梭的水热反应机理及形核长大机制分析得出,ZnO纳米梭的形成是由于随反应持续进行,溶液中PH升高,使ZnO端部部分分解导致的结果。
(2)采取衬底悬浮放置的方式,合成制备得到一维ZnO纳米阵列材料。经过工艺优化和研究分析,最终得到最优实验参数包括:1)衬底放置采用悬浮放置,并保持长有籽晶层面朝下与溶液接触的方式;2)溶液浓度位于0.025mol/L附近;3)反应温度范围介于90℃到95℃之间;4)反应时间范围介于12h到24h之间;5)籽晶层制备方式采用脉冲激光沉积(PLD)法制备。综合上述最优工艺参数所合成制备的一维ZnO纳米阵列材料结晶性能良好、形貌规则、尺寸均匀,并具有良好的c轴择优取向特性。
(3)利用水热法在事先经PLD法制备的ZnO籽晶层低阻Si衬底上,于特定条件下合成出不同Mg掺杂含量的Zn1-xMgxO纳米棒阵列。在准平衡态的生长环境条件下,由于热动力学因素的限制,所能得到的最高Mg掺杂含量为0.04。测试分析结果显示,水热法合成制备的Zn1-xMgxO纳米棒阵列尺寸均匀、取向良好、端面规则,为结晶性能良好的单晶材料,并具有c轴择优取向。近带边紫外发射峰为主要发光峰,且峰位随Mg掺杂含量由0增高到0.04时,室温下带边发射峰位也由378nm偏移到373nm。同时Mg掺杂含量0.04的样品中,于470nm附近出现一个其他样品所不存在的微弱蓝绿发射峰。该峰的出现可能由Mg原子处在Zn间隙位导致能级由浅施主态向深受主态变化引起。由Zn1-xMgxO纳米棒阵列基光探测器的Ⅰ-Ⅴ特性曲线测试发现,Mg掺杂含量由x=0增高到x=0.04时,电流的开关比由3升高为103,这一显著的光探测行为可能归因于高Mg掺杂含量的Zn1-xMgxO纳米棒阵列样品结构中所存在的上述不同缺陷导致,至于具体机理还需进一步研究。