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近年来一维ZnO和ZnS纳米材料成为国际上纳米科技领域的研究热点。本论文较系统的研究了一维ZnO和ZnS纳米材料的制备、表征、掺杂与相应的光学、电学性质,以及制成了ZnO纳米线场效应晶体管和电致发光原型器件。主要内容包括:合成了一维ZnO、ZnS纳米材料,并进行结构表征;对ZnO、ZnS纳米材料的光致发光性质进行了系统研究,并对ZnS纳米材料进行了发光中心杂质掺杂,研究了相应的光致发光性质;通过制备单根ZnO纳米线(带)场效应晶体管,对材料进行电学性质表征;提出了一种新型结构的ZnO纳米线场效应晶体管,得到了有良好器件参数的增强型和耗尽型场效应晶体管;研制成功单根n-ZnO纳米线/P+-Si异质结,观测到ZnO纳米异质结的紫外电致发光。所取得的主要研究成果如下:
1、利用气相输运方法成功合成了多种一维ZnO纳米材料,结构分析表明它们为纤锌矿单晶结构。其中在无催化剂条件下,在InGaN,GaN及AlGaN衬底上用气相输运法生长ZnO纳米线阵列是首次报道。通过后面的电学性质表征,发现通过调整生长条件以及进行施主掺杂,可以分别制得载流子浓度为1017、1018-1019、1020cm-3的ZnO纳米线。
2、通过改变生长载气以及进行适当的Cu和Mn掺杂,制得了四种ZnS纳米带,他们的光致发光谱分别在蓝、绿、橙、红波段。即制得了光致发光峰在可见区可调的ZnS纳米带。
3、对合成的多种ZnO纳米线进行电学性质测量,从而得出载流子浓度,迁移率等半导体材料的重要参数。制得一种顶部带有Au接触的ZnO纳米线金属.绝缘体-半导体场效应晶体管,采用两种生长方法不同、电阻率不同的ZnO纳米线,分别制得了增强型和耗尽型的场效应晶体管,其中耗尽型场效应晶体管的开关比(106)是目前ZnO纳米线背门场效应晶体管的最高水平。
4、通过光刻、等离子干法刻蚀、纳米线组装等方法制备了单根n型ZnO纳米线/p+型Si异质结,研究了纳米线/硅异质结的电致发光特性。当加一定的正向偏压时,从异质结中观测到的电致发光谱与单根ZnO纳米线的光致发光谱相似,说明电致发光来源于电子、空穴(来自硅)在ZnO纳米线中的辐射复合。ZnO单根纳米线的紫外电致发光与Harvard大学研究小组同时首次报道。但是在我们的结果中,有更好的紫外带边发光。