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CVD法制备ZnO薄膜的发光特性研究及碱金属钛酸盐纳米线的合成与表征

作　者: 孟祥东
导　师: 傅竹西；王大志
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 中国科学技术大学 纳米线 博士学位论文 氧空位 束缚激子 复合发光 纳米棒 化学气相淀积 八面体 发光谱
分类号: O484.41
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


本论文主要分两大部分，一是CVD法制备ZnO薄膜的光致发光特性研究，二是一维碱金属钛酸盐纳米材料的制备和物性研究。 ZnO作为一种直接带隙宽禁带半导体（室温下，Eg～3.36eV），之所以在学术界有如此火爆的研究态势皆因ZnO有无与伦比的光电应用前景。ZnO的激子结合能为60 meV，远大于室温热电离能（26meV），因而ZnO内部的激子可以在室温下稳定存在，这一点对于研发低阈值激光器至关重要。ZnO具有GaN所没有的独特优势，例如大的激子结合能，大尺寸高质量的ZnO体单晶衬底材料的人工制备，低的外延生长温度，低成本的晶体薄膜生长技术等。经历几十年的研究后，一些ZnO的基本性质仍然是不清楚的，例如对于未掺杂的ZnO为什么表现出n型半导体的特性，有些人认为是氧空位（V0）和锌添隙（Zni），而有人却认为是在生长过程中不可避免的氢（H）杂质的引入所致。对于在ZnO发光光谱中众所周知的黄绿光的发射，一些人认为其发光机制与单离化的氧空位有关，而有人却认为是其它因素所致。总之，争论一直在持续，统一的观点还未形成。对于低温下的ZnO发光光谱，紫外各个发光峰的指认与来源确认仍是一个非常复杂的问题，这涉及到ZnO化学计量比偏移导致的各种固有缺陷，以及由于掺杂引入的杂质缺陷，另外还有在氧化锌生长中引入的环境中的杂质等。对于ZnO方面的内容，本论文的主要内容有： 1) 搭建了三套低成本的CVD装置，它们分别是简单CVD装置，单一源化学气相淀积装置，ZnO薄膜的水汽外延装置。 2) 通过水与锌粉的反应在P型Si（100）衬底上淀积出高质量的具有良好C轴择优取向的ZnO薄膜。薄膜的厚度0.8μm，颗粒平均尺寸0.5μm，在颗粒表面所产生的能带弯曲效应可以忽略，粗略认为薄膜中的氧空位均是以单电离（V0·）的状态存在。由于薄膜中含有大量的单电离的氧空位，在室温下薄膜具有很高的光致发光亮度。ZnO薄膜其可见光的发光强度已远远超出由化学气相输运制备的ZnO体单晶，甚至在明亮的室内背景下，依然可以看到耀眼的可见光发射。紫外峰的发光强度要比其绿光峰弱很多，但已可以与化学气相输运制备的ZnO体单晶相比拟。详细研究了低温下的PL谱。利用Haynes定则计算出与3.358eV发光峰相对应的

全文目录


Abstract  6-10
摘要  10-14
第一章 绪论  14-44
  1.1 宽禁带半导体ZnO概论  14-15
  1.2 ZnO的结构与基本性质  15-17
    1.2.1 ZnO的结构  15-16
    1.2.2 ZnO的基本物理性质  16-17
  1.3 ZnO的电学性质  17-18
  1.4 ZnO的光致发光特性  18-22
    1.4.1 ZnO的紫外发光机制  19-22
      1.4.1.1 自由激子辐射复合发光  19-20
      1.4.1.2 束缚激子辐射复合发光  20
      1.4.1.3 双电子辐射复合发光  20-21
      1.4.1.4 施主受主对的辐射复合发光  21-22
    1.4.2 ZnO的可见光发光机制  22
  1.5 ZnO的激光发射  22-23
  1.6 ZnO中的缺陷  23-24
    1.6.1 ZnO的固有缺陷  23
    1.6.2 ZnO的杂质缺陷  23-24
    1.6.3 n-ZnO中的主要缺陷  24
  1.7 ZnO的P型掺杂及ZnO基发光器件  24-25
  1.8 ZnO的生长  25-28
    1.8.1 ZnO体单晶的生长  25
    1.8.2 ZnO薄膜的生长  25-27
      1.8.2.1 衬底的选择  25-26
      1.8.2.1 ZnO薄膜的生长技术  26-27
    1.8.3 一维纳米结构ZnO的生长  27-28
  1.9 纳米材料的研究现状  28-31
    1.9.1 纳米材料的物理性质  28-29
    1.9.2 纳米材料的制备方法  29-31
  1.10 碱金属钛酸盐的合成与应用  31-34
    1.10.1 钛酸钾晶须的合成与应用  31-33
    1.10.2 钛酸钠的合成与应用  33-34
  1.11 本论文的研究内容和意义  34-36
    1.11.1 关于ZnO的研究内容与意义  34
    1.11.2 关于碱金属钛酸盐的研究内容与意义  34-36
  参考文献  36-44
第二章 高发光亮度ZnO薄膜的水汽外延生长及变温光致发光特性研究  44-63
  2.1 引言  44-45
  2.2 ZnO薄膜水汽外延装置的搭建与实验过程  45-46
  2.3 ZnO薄膜的结构与形貌  46-48
  2.4 ZnO薄膜的室温光致发光  48-50
  2.5 ZnO薄膜的低温光致发光研究  50-59
    2.5.1 紫外光部分  50-58
    2.5.2 可见光部分  58-59
  2.5 本章小结  59-61
  参考文献  61-63
第三章 SSCVD制备ZnO薄膜的蓝光发光机制  63-72
  3.1 引言  63-64
  3.2 SSCVD装置的搭建与实验过程  64-65
  3.3 结果与讨论  65-70
  3.4 本章小结  70-71
  参考文献  71-72
第四章 ZnO薄膜和纳米棒的一种简单CVD制备方法  72-81
  4.1 引言  72-73
  4.2 简单CVD装置的搭建与实验过程  73-74
    4.2.1 ZnO薄膜的淀积  73-74
    4.2.2 ZnO纳米棒的合成  74
  4.3 结果与讨论  74-78
  4.4 本章小结  78-79
  参考文献  79-81
第五章 源自板钛矿TiO_2的钛酸钠纳米线的制备和表征  81-94
  5.1 引言  81
  5.2 实验过程  81-82
  5.3 结果与讨论  82-92
  5.4 本章小结  92-93
  参考文献  93-94
第六章 不同晶型的TiO_2对K_2Ti_6O_(13)纳米线微结构和性能的影响  94-104
  6.1 引言  94
  6.2 实验过程  94-95
  6.3 结果与讨论  95-101
  6.4 本章小结  101-103
  参考文献  103-104
第七章 总结  104-106
致谢  106-107
读博期间发表的论文  107

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的性质 > 光学性质
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