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氧化锌(ZnO)是一种宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,由于其优良的物性,ZnO材料在光电、压电、气敏、压敏等领域有着广阔的应用前景。优良的性能和广泛的应用使人们对各种.ZnO材料的制备生长和性能研究保持着浓厚的兴趣。随着宽带隙半导体物理的发展,以及人们对亚微米纳米结构认识的不断深入和纳米科学技术的带来的材料性能的奇特变化,使一维ZnO材料的制备及其相关研究逐渐成为一个新的方向。
本论文以不同的生长方法制备了不同形貌和尺寸的纳米氧化锌,并分析了相应样品的场发射、p-n异质结和气敏特性,主要内容如下:
分别用两种反应源制备了ZnO纳米线阵列和四针状ZnO纳米晶须,对其形貌和结构进行了表征,并分析了它们的生长机理。用ZnO粉术和石墨粉末作为反应源制备的ZnO纳米线的形貌为基本垂直基板生长的纳米线阵列,XRD测试表明纳米线为晶体,在C轴方向上有择优生长取向;用Zn粒为反应源制备的ZnO纳米线呈四针状,每个颗粒各有1个中心体,从中心体长出4根针状的晶体,并向4个不同方向伸展,每两个相邻针状体间的夹角约为109°。
对ZnO纳米线阵列的场发射性能进行了测试,结果表明ZnO纳米线开启电压较低,为4 V/μm,发射电流和所加电压的关系,符合F-N理论。场发射性能良好,很可能成为平板显示器中的阴极材料。
对p<+>-Si和n-ZnO纳米线构成的p-n异质结进行了特性测试,其特性良好,正向开启电压为0.5V,反向漏电流较大,在偏压为-1 V时达到了0.02 mA,有望为今后制备高灵敏度紫外光探测器和其他光电器件提供很好的模型。
分别测试了用两种方法制得的纳米线的气敏性质。用单根状的ZnO纳米线制得的气敏元件,对1000ppm浓度的酒精,在250℃左右灵敏度达到最高,约为3.75;加了TiO<,2>粉末后制成的气敏元件对酒精的灵敏度有了显著提高,从3.75提高到16。用四针状ZnO纳米晶须压片制得的气敏元件工作温度低,对酒精的灵敏度高,对1000ppm浓度的酒精,在工作温度为160℃时,灵敏度就达到了30,足以满足应用的需要,这有利于降低气敏元件的能耗,更易实用化。对浓度为100ppm的乙醇,灵敏度达到了15.2,要高于以前文献报导的一维和零维纳米氧化锌的灵敏度。元件较大的比表面积使该气敏元件对酒精具有较好的响应恢复性能。因此,该气敏元件有望成为实用的酒精传感器。