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ZnO纳米结构的制备及其表征

作　者: 张月甫
导　师: 李玉国
学　校: 山东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: ZnO 纳米结构热蒸发溅射光致发光
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO作为一种应用广泛的直接宽带隙（3.36 eV,300 K）半导体,其优异的光电性能使其成为了近十年来各国研究的热点。室温下其激子结合能为60 meV,具有六方纤锌矿结构,晶格常数a=0.3249 nm,c=0.520 6 nm。传统上ZnO是一种具有很大压电系数的压电材料,但自上世纪九十年代末以来,ZnO作为光电材料的研究迅速兴起,同时ZnO纳米材料的研究也是蓬勃发展。利用ZnO制造出了表面声学波器件（SAW）。因为其基于氧空位的特殊导电机制,ZnO还可以用于氧气传感器。像氧化铟和氧化锡一样,ZnO在可见光区域是透明的,而且适当掺杂如掺铝后可以导电,这种特性被广泛研究用于平板显示器和太阳能电池的透明导电电极。其结构和晶格尺寸和另一种重要的第三代化合物半导体GaN非常接近,因此二者可以互为缓冲层或衬底,这更拓展了ZnO的应用范围。与其它宽禁带半导体材料相比,ZnO具有众多优点,ZnO研究的突破,极有希望解决半导体照明、紫外半导体激光器等多种技术的瓶颈。本文采用射频磁控溅射技术和热氧化法在未抛光的Si衬底上制备了ZnO、Au薄膜,在此基础上利用热蒸发Zn源直接氧化法在石英、Si/Au衬底上制备了多种形貌的ZnO纳米结构,对其结构、形貌、组分和发光特性进行了深入的分析和研究,并对其发光机制和生长机制进行了初步探索。研究了退火时间、退火温度对其形貌及其结晶度的影响。研究的主要结果如下:1.利用磁控溅射技术与热退火技术在Si（111）衬底上制备了ZnO、Au薄膜。实验过程中我们研究了退火温度、退火时间对ZnO、Au薄膜形貌的影响,制备了结晶质量不太好的ZnO多晶薄膜和Au薄膜。此ZnO、Au薄膜与已经制备好的Au纳米点阵对后期的ZnO纳米结构生长起到了比较重要的作用。2.采用直接热蒸发Zn源的方法在各种衬底上生长了多种ZnO纳米结构。我们在未抛光Si（111）衬底、SiO₂衬底、Si/Au衬底、Au纳米点阵上进行了热蒸发Zn源生长ZnO纳米结构的实验,分别制备出了棒状、线状、花状、荷叶状、四/五足状和蒲公英状等多种形貌的ZnO纳米结构。3.ZnO纳米结构光学特性的研究。在室温下,用波长为325nm的光激发样品表面,出现了386 nm和505 nm两处发光峰。对于中心位于386 nm发光峰对应于六方ZnO纳米结构的近带边发射,通常此近带边发光峰归功于激子辐射复合发光。而对于中心位于505 nm左右是强的宽绿色发光带,通常被认为是由于深能级或缺陷态复合发光。Vamheusden等人认为绿色发光带源于单个电离的氧空位与价带空穴间的辐射复合跃迁。所以笔者把实验中的绿色发光带归结为从导带底到氧替位缺陷Ozn能级的跃迁发光。4.通过对ZnO纳米结构生长过程和测试结果的讨论分析,我们探讨了各种ZnO纳米结构的生长机理。研究了生长气氛、温度、时间、载气流速率以及衬底等对ZnO纳米结构生长不同的影响机理。我们研究了对ZnO纳米结构生长产生影响的各种因素。在我们的实验中ZnO纳米结构的生长主要的遵循气-固（VS）生长机制。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-27
  1.1 纳米材料简介  9-12
  1.2 ZnO 材料的基本性质  12-16
  1.3 ZnO 纳米材料的制备及研究进展  16-23
  1.4 ZnO 纳米材料的应用  23-25
  1.5 选题依据  25-27
第二章实验设备与测试表征技术  27-31
  2.1 实验设备  27-28
  2.2 实验中所需要的主要材料和试剂  28-29
  2.3 样品的测试和表征技术  29-31
第三章 ZnO 纳米结构的制备及特性表征  31-45
  3.1 ZnO 薄膜的制备  31-32
  3.2 热氧化法制备 ZnO 纳米棒、纳米花  32-37
  3.3 荷叶状和四足/五足状 ZnO 纳米结构的合成  37-41
  3.4 蒲公英状 ZnO 纳米结构  41-42
  3.5 ZnO 纳米结构的生长规律  42-45
第四章结论  45-47
  4.1 本文的主要研究结果  45-46
  4.2 对今后工作的建议  46-47
参考文献  47-51
硕士期间发表论文  51-52
致谢  52

ZnO纳米结构的制备及其表征

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