ZnO是一种新型宽禁带Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。与GaN材料类似,ZnO具有六方纤锌矿晶体结构和室温禁带宽度为3.37eV的直接带隙。ZnO最显著一个特点就是具有很高的激子束缚能,高达60meV,是GaN (25meV)材料的两倍,也比室温热离化能(26meV)高很多,这就使得在室温或更高温度下激子受激发射存在并具有很高稳定性,从而保证了ZnO在室温低激活能下激子紫外光的发射。此外,ZnO还具有很高的导电、导热性能和化学稳定性及良好的紫外吸收性能,所以ZnO在蓝光和紫光发光二极管、激光器、紫外探测器等光电子器件领域具有很大的潜在应用价值,被认为是极有前景的半导体材料之一与体材料相比,ZnO一维纳米材料表现出独特的物理化学性质,因而在纳米器件领域具有广泛的应用前景。一维ZnO的纳米材料的径向量子限制效应,使得ZnO纳米器件更容易实现室温下有效的紫外受激辐射。另外,由于具有较高表面比率和小的尖端曲率半径,一维ZnO纳米材料和C纳米管一样具有良好的电子场发射性质,然而ZnO具有更好的化学稳定性和对环境的非敏感性,所以将来ZnO基纳米结构在场发射显示器中是碳纳米管的理想替代物。ZnO纳米器件在室温低阀值下实现紫外受激发射十分可能。因此ZnO纳米材料在光电器件领域也有很大应用前景。目前,研究人员对ZnO纳米结构的制备和生长机理的研究有很多,已经采用了各种不同技术制备了各种形貌的ZnO纳米结构,如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米环等。在诸多研究中采用最多的是化学合成、MOCVD类似方法,而采用磁控溅射生长纳米结构的报道相对较少。在ZnO微纳结构材料研究中有关结构、形态以及尺度的控制,仍然是个很大的难题。因此,实现可控定向生长高质量的一维ZnO纳米材料是实现蓝紫外发光的一个有效途径,如何实现一维ZnO纳米材料的可控生长越来越受人们的广泛关注。本论文采用磁控溅射、热退火技术在Au点阵模板上生长了ZnO单晶堆垒纳米棒,一定程度上实现了模板对ZnO材料生长的调控,并在此基础上实现了ZnO材料的稀土Eu掺杂。文中主要通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM和HRTEM)、X射线能谱(EDS)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)及光致发光谱(PL)等测试手段分析了不同生长条件对生成产物结构成分、表面形貌和发光特性的影响。主要内容如下：1.ZnO单晶堆垒纳米棒的合成首先,采用直流溅射技术在Si(111)衬底上制备Au薄膜,然后Ar气氛下900℃高温退火生成了简易Au点阵模板。通过SEM观察发现在此模板表面覆盖大量Au点阵,且大小均匀。通过Au不同溅射时间的对比,发现Au溅射5秒后生成的模板,Au直径较小,点阵密度较大,更适合做ZnO材料的生长模板。在Au点阵模板上利用二次磁控溅射ZnO薄膜50分钟,然后置于石英管式炉中O2气氛下退火生成了ZnO单晶堆垒纳米结构。采用XRD、SEM、HRTEM、FTIR、XPS、PL等对样品的结构、形貌和光学性质进行详细研究,分析了各种不同退火条件和不同生长模板对ZnO单晶堆垒纳米棒的影响。结果表明,退火温度对ZnO纳米棒的形貌和结晶质量有很大影响。随着温度的升高,纳米棒的直径由大变小,而后又变大,在温度为1000℃时直径最小。ZnO结晶质量也有类似的变化规律。这种变化我们认为是不同温度下原子迁移率不同造成的。由于ZnO典型的极性结构,随着温度升高,原子迁移率增加,原子更多的按[0001]单一方向排列,从而使纳米棒直径变细,结晶质量提高。但是当温度升高到一定值时,原子迁移率影响已经超过ZnO自身极性结构的影响,从而导致原子的横向移动增加,因而纳米棒变粗,结晶质量下降。退火时间对ZnO纳米棒生长也有重要影响。随着退火时间增加,纳米棒逐渐从杂乱到有序,从有序到相互之间粘合。时间较短,原子没有足够时间移动到一个Au点阵控制的有序状态,而时间太长会造成原子直径方向的生长增加,从而出现纳米棒直径增加而相互粘合。不同气氛下退火对ZnO生长的影响是与气氛中O的含量有关,只有在富氧气氛下退火,ZnO晶粒数量才会更多,ZnO的重新结晶才会完全,从而生成的ZnO棒结晶质量才高。退火气体流量不同对ZnO棒的生成没有很明显的影响。通过分析最后找到了ZnO单晶堆垒纳米棒最佳退火条件：O2气氛下1000℃高温退火20分钟。在此最佳退火生长条件下,重新生长了ZnO单晶堆垒纳米棒,采用各种测试手段,详细分析了生成物的结构形貌和光学性质。结果表明,实验条件下制备的ZnO纳米棒是由许多六方纤锌矿结构的单晶块沿[0001]方向堆垒而成,纳米棒排列紧凑,排列密度大,一定程度上依模板有序。光致发光谱表明在380nm附近出现由ZnO带边发射引起的近紫外发光和在500nm附近出现由缺陷引起的绿光发光,说明样品具有较好的发光性质。Au点阵衬底在ZnO纳米棒生长过程中起到了一定的可控作用,可以作为一种ZnO纳米材料生长的简单易行的模板。2.一维稀土Eu掺杂ZnO虫状结构的制备在Au点阵模板上利用磁控溅射采用交替共溅技术分别溅射Eu稀土靶和ZnO烧结靶,获得交替层状薄膜结构,然后在石英管式炉中O2气氛高温退火生成了稀土Eu掺杂ZnO虫状结构。通过各种测试手段详细分析了制备的Eu掺杂ZnO材料的形貌、成分以及掺杂剂对ZnO发光特性的影响。SEM测试结果表明生成产物呈现虫状弯曲结构,直径为80-120纳米,长度在微米数量级,在900℃和1000℃退火条件下样品形貌无明显变化。XPS和能量谱(EDS)分析结果表明稀土Eu掺杂量很小,原子个数比小于1%。XRD及HRTEM分析结果表明,稀土Eu的掺杂从晶体结构上引起了晶面间距的变宽,并且还出现了两种晶体结构。1000℃退火生成比较多的是单晶堆垒结构,而900℃退火生成较多的晶粒堆积结构。这也正好说明了ZnO生成是一个从晶粒堆积慢慢转变成单晶堆垒的过程。系列测试结果都表明该方法合成了稀土Eu掺杂的ZnO材料。通过PL谱分析发现,掺杂Eu后ZnO在380nm附近紫外发光峰强度变弱,而在500nm附近的绿光发光峰强度增强了很多。Eu掺入ZnO后,会形成等电子陷阱或复合中心,会增加内部缺陷。并且还会增加锌填隙原子(Zni)和氧空位(VO)的生成,这些缺陷对绿光发射都会起到加强作用。PL谱测试中在615.9nm处还发现了Eu元素4f壳层电子从5D0到7F2的特征跃迁,这也进一步说明了稀土Eu的有效掺杂。3.外加磁场控制ZnO材料的生长以带电粒子在电磁场中的运动理论为依据,在磁控溅射系统中基片下外加一磁场,来改变空间的磁场分布,进而改变磁控溅射沉积参数,达到影响材料生长的目的。在外场影响下,首先在Si(111)衬底上射频磁控溅射ZnO薄膜,溅射后就发现样品与没有磁场相比有明显区别,溅射厚度明显增加。然后将溅射后样品在管式炉中高温退火生长ZnO薄膜。通过X射线衍射、扫描电镜、金相显微镜等来观察磁场对ZnO材料的影响。测试结果表明,外加磁场后大大提高了磁控溅射速率,薄膜结晶程度也得以提高。经过退火后的ZnO薄膜为高度结晶的六方纤锌矿单晶。金相显微镜测试结果表明ZnO由于自身极性存在,外加磁场后大大改变了ZnO材料表面形貌分布。4.ZnO单晶堆垒结构生长机理的初步探讨结合ZnO材料制备过程的结果分析,初步探讨了ZnO单晶堆垒结构的生长机理。在ZnO棒状结构顶端没有发现金属Au液滴的存在,说明生长机理不属于VLS机制。从SEM结果发现,Au点阵模板对ZnO单晶堆垒结构生成起了至关重要的作用。综合分析认为生长过程分为两步：ZnO小晶粒的生成和ZnO单晶的堆垒。生长开始,熔融的金属Au液滴在衬底表面改变了能量分布从而产生大量缺陷,这些缺陷成为ZnO生长良好的成核点。由于ZnO独特的极性晶体特性,形成许多极性小晶粒。为了减小极化表面能,一种可能就是在长程静电力作用下,带正电荷Zn-(0001)面和带负电荷O-(0001)面发生电荷中和,这种电荷的中和就形成了沿[0001]方向排列的单晶堆垒结构。然而详细的生长机理还需要进一步详细的分析研究。