热蒸发法制备厘米级ZnO晶须及特性研究

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ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,室温下其禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,在短波长发光二极管、激光器、紫外探测器、高频和大功率器件及其相关器件方面有着相当广阔的应用前景。然而目前在世界范围内只有国外几个实验室能够生产ZnO体材料,国内还没有成功制备ZnO体材料的报道。我们课题小组利用简单的还原热蒸发法成功的制备出了具有体材料性质的的ZnO晶须。 本实验首先在石墨坩锅中生长ZnO晶须,利用SEM(扫描电镜)、TEM(投射电镜)、SAED(选区电子衍射)、XRD(X射线衍射)对所得的晶须进行了形貌与结构的研究,发现这些ZnO晶须是单晶的,为六方纤锌矿结构,晶须长度范围为1-4cm,平均长度2cm,晶须的直径约为5-20μm,平均直径15μm左右。随后本实验利用C粉作为还原剂生长ZnO晶须,发现C粉与石墨坩锅具有相同的还原作用,从而为将来的大规模生产找到了一种性能优异价格低廉的还原剂。ZnO晶须的生长主要由两个因素决定:一是ZnO在衬底表面的过饱和度,另一个是ZnO自身的结晶特性。其中,过饱和度是结晶和取向生长最重要的驱动力。而过饱和度可以通过调节衬底附近Zn蒸汽的浓度以及衬底和原材料之间的温度梯度来控制。实验发现在不同的ZnO:C的条件下,生长出来的ZnO晶须的形貌不同;不同的冷却机制—空冷和随炉冷却—也会对ZnO晶须的形貌产生影响。在ZnO:C为1:2时,空冷冷却机制生长出来的晶须最为符合我们的要求。 我们用荧光光度计对样品进行PL谱测试,激发波长325 nm,测试发现室温下ZnO晶须只在377nm有一个窄而强的近紫外发光峰,这对应着ZnO的近边辐射,说明我们所制备的ZnO晶须具有很低的点缺陷浓度和很高的晶体质量。此外,ZnO晶须具有压敏特性,在低电压(9V)下成高阻状态,测量值为无穷大;在高电压下(600V),ZnO晶须的电阻下降,电阻率4.6×10-3Ω·cm。
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