掺In氧化锌微盘的生长及光学性质的研究

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ZnO是一种有着优秀电学和光学性质的宽带隙半导体材料,在光电、压电、热电、铁电、铁磁等各个领域都有着优异的特性。它属于Ⅱ-Ⅵ族化合物,被归类为第三代半导体材料。ZnO有三种不同的结构,常温下的稳定相为六方纤锌矿结构。在室温下,ZnO禁带宽度为3.37eV,激子结合能为60meV,被认为有望取代激予结合能为25meV的GaN成为新一代短波长光电子材料。ZnO微米或纳米材料具有各种丰富多样的形态,可以根据实际情况选取所需的材料。在选用适当元素进行掺杂时,样品的生长会受到约束而使所得样品形貌一致。且掺杂同时也会影响ZnO的发光,从而为材料新的应用提供可能。因此,在制得样品后,除了各种形貌结构表征,对样品进行光学性质表征也很重要。  在本论文中,使用化学气相沉积法(CVD)在管式炉中制备各类样品。选定In作为掺杂元素,制备出未掺杂和掺杂的样品,并对得到的样品进行了一系列研究。最后用FDTD软件模拟对工作做了一些补充与展望。主要工作内容如下:  (1)在管式炉装备中采用CVD生长未掺杂的ZnO材料,得到形态多样的产品。先采用Zn为源材料在可调气流和高温下进行生长,并使用扫描电子显微镜(SEM)对所得样品进行形貌分析。由于气体浓度不同,即使是同一衬底,在不同位置上也会出现形貌不同的样品。在一段区域内,会有一种形貌的样品占着主导地位。然后以ZnO和石墨的等质量混合物为源材料,在常压更高温下进行样品的生长。ZnO被石墨还原分解为气相产物,且C与O2的反应使得压强增大更利于反应与结晶。最后得到的样品仍然是有着多种形态的。此外,无论是用Zn还是ZnO与石墨的混合物作为源材料,由最终样品的SEM照片可以看出,这些样品沿着c轴方向生长最快。  (2)将ZnO、In2O3、石墨按照不同比例混合均匀作为源材料,使用CVD在常压下生长样品,反应温度为1100℃。在适量的掺杂了In之后,样品的形貌出现了很好的可控性。原本生长速度最快的[0001]方向的生长被抑制,从而生长出直径约为20微米的六边形ZnO微盘。通过不断实验,找到成功生长出品貌一致微盘时的材料比例。使用X射线衍射(XRD)和X射线能量色散谱(EDS)等表征手段对样品进行结构分析和元素分布,并推断出生长所属的机制为气相-液相-固相(VLS)生长。In在整个反应过程中,充当了金属液滴催化剂和形状塑造者这两种角色。  (3)使用激发波长为325nm的He-Cd激光器进行样品的光致发光(PL)谱测量。将掺In氧化锌样品与未掺杂样品的PL谱进行比较,发现掺In氧化锌微盘在紫外区域的峰出现了蓝移。用微区PL系统进一步研究单个六边形微盘的发光,发现有模式在晶体中出现。经过计算讨论,得出了在此实验中,主要模式为六边形微盘相对边之间的FP模式的结论。晶体中模式的出现加上峰的蓝移,为ZnO材料在更短波长器件的应用提供了可能。  (4)为了对实验提出补充,用软件对光强分布进行了模拟。模拟的原理是时域有限差分方法(FDTD)。简化模型为二维平面,模拟的入射高斯光的入射角为60。得到了实验中被压制的回音壁模式的光强分布图。此外,考虑到样品的形貌规则性,模拟了ZnO样品在通信波段的add-drop滤波器模型,并提出了一些对未来工作的展望。
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