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ZnS/硅纳米孔柱阵列异质结构的电学性能研究

作　者: 贾河顺
导　师: 李新建
学　校: 郑州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 硫化锌/硅纳米孔柱阵列异质结复合体系电输运机制空间电荷限制电流场发射
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

20世纪80年代纳米技术的产生及发展使人类的生活和思维方式发生了巨大变化,特别是现在能源问题对生产技术向更小、更精密、更高层次发展提出的要求,促使纳米复合材料一直是科学研究和生产技术研发的热点。其中,集成器件的探索及其常见的晶格失配问题一直是一个很重要的研究课题。因此研究异质结面的物理特性一直是一个备受关注的方面。本文采用液相化学反应法制备了硫化锌/硅纳米孔柱阵列(Zinc Sufide/SiliconNanoporous Pillar Array,ZnS/Si-NPA)异质结器件,并研究了反应物浓度对异质结器件形貌及电输运、场发射性能的影响,讨论了ZnS和Si-NPA异质结界面的电输运机制及ZnS表面的场发射机制。1.ZnS/Si-NPA的制备和表征通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)实验,确定了样品的形貌以及成分。可以看出:通过液相反应法在Si-NPA表面生成了一层致密的纳米ZnS薄膜,组成了具有选择性生长的ZnS/Si-NPA异质结体系;随着反应溶液浓度的增加纳米ZnS的生成量也随之增加,当浓度到～0.5mol/1时,薄膜沉积量趋近于一饱和点且生成与基底紧密结合的ZnS薄膜;纳米ZnS在柱子上选择性生长随着硅柱表面空隙的增大而有规律的增加;合适的退火温度有利于在衬底上生成结晶更好的ZnS纳米颗粒。通过改变实验试剂和改变实验类型同样得到了具有选择性生长的ZnS/Si-NPA异质结复合体系。2.异质结电输运机制研究由于ITO/ZnS、Si-NPA/Si、Si/Ag之间均呈现出良好的欧姆接触,通过测试ZnS和Si-NPA的电流电压特性可以很好的研究异质结的电输运机制。异质结器件表现半导体的整流特性;拟合的二极管理想因子都大于1,这种偏离主要是由两个原因造成的:金属半导体接触的存在;ZnS和Si-NPA之间的晶格失配。通过对不同浓度和温度对异质结器件影响的研究,用空间电荷限制电流模型对异质结区进行合理分析,得到了杂质浓度特征温度为Tc=1384 K。3.场发射特性分析对不同反应浓度的样品的场发射性能进行了测试,场发射的开启场强随着沉积浓度的增加而降低,并且具有小的开启场强,主要是由以下三个方面的原因:(a)单独硅柱表面电子的输运能力小于沉积ZnS后有ZnS和Si-NPA组成的表面微观结构的电子输运能力,随着ZnS沉积厚度的增加样品表面的电子输运能力加强;(b)ZnS的功函数(～4.4eV)小于Si的功函数(～5.4eV);(c)样品的表面具有规则的相互分离的异质结阵列结构,可以消除部分的屏蔽效应带来的负面影响,这也有利于产生小的开启场强。分析讨论了场发射因子的两段连续的问题。这种与理论公式的偏离有两种原因造成:(a)电子在注入和运输过程中等效电阻的影响;(b)样品在场发射过程中高的电压强度对形貌的影响。在实验过程中如果电场强度过大会出现打火的现象,这时柱子顶部有可能被削平,有的甚至导致了多孔硅底部的融化,将柱子融为平的硅堆,并最终导致了电子击穿和短路;另外在打火的过程中还会出现ZnS氧化的现象。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 纳米材料  10-11
  1.2 ZnS的结构与性能  11-13
  1.3 多孔硅材料  13-15
  1.4 硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)  15-21
    1.4.1 Si-NPA的制备  15-16
    1.4.2 Si-NPA的表征与机理分析  16-18
      1.4.2.1 Si-NPA的表征  16-17
      1.4.2.2 Si-NPA的调控和特性  17-18
    1.4.3 基于Si-NPA复合体系的特性  18-21
      1.4.3.1 Ⅱ-ⅥB化合物半导体/Si-NPA的光电性能  18-20
      1.4.3.2 金属/Si-NPA  20
      1.4.3.3 Si-NPA基纳米复合材料的传感性能  20
      1.4.3.4 CNT/Si-NPA的湿敏和场发射性能  20-21
  1.5 选题依据  21-23
第二章 ZnS/Si-NPA的制备与表征  23-33
  2.1 ZnS/Si-NPA的制备  23
  2.2 制备条件对样品形貌和成分的影响  23-31
    2.2.1 浓度的影响  23-29
    2.2.2 退火温度的影响  29-30
    2.2.3 硫盐类型及生长类型的影响  30-31
  2.3 论文中用到的原料及实验仪器总汇  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章 ZnS/Si-NPA的电学性能研究  33-48
  3.1 异质结器件的制备  33-35
    3.1.1 背面Ag电极的制备  33-34
    3.1.2 正面ITO电极的制备  34-35
  3.2 异质结器件的电学性能  35-46
    3.2.1 ZnS/Si-NPA电学特性的测试原理  35-37
    3.2.2 ZnS/Si-NPA的电学性能  37-41
    3.2.3 空间限制电荷模型  41-46
  3.3 本章小结  46-48
第四章 ZnS/Si-NPA的场发射性能研究  48-63
  4.1 场致发射的基本原理  48-49
  4.2 场发射实验装置及测试原理  49-50
  4.3 ZnS/Si-NPA的场发射研究  50-61
    4.3.1 ZnCl_2溶液浓度对样品场发射的影响  50-52
    4.3.2 场发射场发射机制研究  52-55
    4.3.3 场发射的稳定性研究  55-59
    4.3.4 形貌对场发射性能影响研究  59-61
  4.4 本章小结  61-63
第五章总结与展望  63-66
参考文献  66-77
硕士期间发表论文  77-78
致谢  78

ZnS/硅纳米孔柱阵列异质结构的电学性能研究

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