Na掺杂ZnO纳米材料的实验与第一性原理研究

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众所周知,ZnO是一种重要的宽禁带、直接禁带半导体,室温下的禁带宽度约为3.37eV,激子束缚能为60meV。近几年,对ZnO纳米结构的研究以及其潜在的广泛应用,如在光催化、压电效应、光电子学、光电转换与气敏等领域,吸引了大量科研工作者的兴趣。其中,p型ZnO纳米结构的制备成了开启ZnO纳米结构通向大规模应用之门的钥匙。然而,要想获得稳定可到的ZnOp型导电仍然存在着很到的困难。如,掺杂元素在ZnO中有限的固溶度;ZnO本身的自补偿效应;杂质能级多为深能级,不易电离;p型导电的不稳定性等。基于上述考虑,本文的研究工作主要集中在通过实验与第一性原理结合的方式对ZnO纳米材料的制备和ZnO纳米结构p型掺杂的实现以及对其机理的研究。文章主要工作包括:(1)控制生长ZnO纳米棒阵列。采用单开口的石英舟,通过调节反应温度、系统压强、材料生长的衬底及缓冲层种类与制备方法,寻找合适的ZnO纳米棒阵列制备方法。分析提出单口石英舟生长纳米材料的温度与系统压强平衡理论,分析了对材料形貌的影响。(2)基于温度与压强平衡理论,在极限条件下制备出超长微米/纳米纤维。基于CVD方法制备超长纳米线的事实,提出空间线状形核新的生长机理。(3)采用不同Na掺杂源分别进行了Na掺杂ZnO纳米棒阵列的制备。在高温和低温CVD条件下,分别采用焦磷酸钠和三磷酸钠为Na源得到了理想的Na掺杂ZnO纳米棒阵列;并对其进行了测试表征。结合第一性原理计算,通过对XRD、PL和XPS等的分析,论证Na主要位于Zn替代位。理论计算结合实验,提出了O空位可以有效提高NaZn固溶度的ZnO p型实现方法。(4)采用高温、低温CVD方法结合,高温CVD、水热方法结合制备了Na掺杂的ZnO纳米阵列同质结。(5)基于温度与系统压强平衡理论,通过调节温度与压强,制备出了生长取向一致性好的ZnO微米梳阵列。用热扩散As的方法第一次实现了单根ZnO微米梳的As掺杂p-n同质结。采用光刻和电子束蒸发技术将全As掺杂p型ZnO微米梳和半As掺杂ZnO微米梳p-n同质结制作成微型FET和同质结器件,并对其进行了各电学性能的测试和紫外探测性能的研究。
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