一维ZnO材料的生长机理及其光电性能的研究

论文摘要

近年来,由于一维ZnO结构在场发射、紫外敏感、压电等方面的优越性能,使之在平板显示器、紫外传感器、微型纳米发电机等领域的应用极具潜力,已成为目前的研究热点。然而难以制备出排列整齐、取向一致及易于器件化的一维ZnO阵列这个难题却成为制约其进一步投入应用的最大障碍之一。因此通过研究一维ZnO结构的生长机理、了解其生长过程的手段来解决这个问题便成为研究的重点。本文通过化学气相沉积（CVD）的方法,在不同衬底上制备了一维ZnO阵列,运用了X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、荧光（PL）光谱仪等手段对样品进行了分析表征。研究了基于气-固（V-S）机制下一维ZnO结构的成核温度和时间对一维ZnO阵列生长的影响,发现过低的温度不能成核,而在过高温度和长时间成核会使其生长方向紊乱,结合试验结果通过自发成核理论解释了其原因。在蓝宝石（1120）衬底上制备了水平取向的一维ZnO阵列,同时通过晶格匹配理论研究并解释了在蓝宝石（0001）、蓝宝石（1120）及Si（100）三种不同衬底上一维ZnO结构具有不同生长方向的机理。通过测试一维ZnO阵列在无光照和有光照条件下的Ⅰ-Ⅴ特性,发现在256nm的紫外光照射下5V偏压时垂直生长的一维ZnO阵列灵敏度为4.54,上升沿时间常数为1.550s,而水平取向的一维ZnO阵列灵敏度为21.18,上升沿时间常数为0.014s。而这种性能上巨大的差距是由于其受光面积差别所决定的;使用Ga2O3、ZnO（质量比为1∶3）的混合源制备了掺Ga一维ZnO阵列,发现Ga元素的掺入引起了晶格常数的减小,在PL谱的测试中发现了在未掺一维ZnO阵列中没有的410nm发光峰,而这是由Ga原子引入后在导带底0.35ev产生一浅施主能级而产生的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米技术简介
• 1.1.1 纳米技术的历史和发展
• 1.1.2 纳米技术的特性和应用
• 1.2 一维ZnO纳米材料
• 1.2.1 ZnO的基本结构
• 1.2.2 一维ZnO结构
• 1.2.3 一维ZnO材料的潜在应用
• 1.3 一维ZnO材料的制备方法
• 1.3.1 模板限制辅助生长法
• 1.3.2 金属有机气相外延
• 1.3.3 热蒸发法
• 1.3.4 气相沉积法
• 1.4 一维ZnO材料的研究热点
• 1.5 本论文研究的内容和意义
• 第二章 制备方法及表征原理
• 2.1 化学气相沉积系统（CVD）简介
• 2.2 化学气相沉积（CVD）的原理与技术
• 2.3 气-液-固（V-L-S）生长机制及气-固（V-S）生长机制
• 2.3.1 气-液-固（V-L-S）生长机制
• 2.3.2 气-固（V-L）机制
• 2.4 分析及表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.2 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.3 能量色散谱仪（EDS）
• 2.4.4 荧光光致发光谱（PL）
• 第三章 对一维ZnO材料成核的研究
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 蒸发源的准备
• 3.1.2 衬底清洗
• 3.1.3 催化剂的制作
• 3.1.4 化学气象沉积
• 3.2 成核对生长的影响
• 3.2.1 催化剂在成核过程中的作用
• 3.2.2 成核温度对生长的影响
• 3.2.3 成核时间对生长的影响
• 3.3 小结
• 第四章 不同衬底上一维ZnO结构的生长
• 4.1 蓝宝石衬底上一维ZnO结构的生长
• 4.1.1 在蓝宝石（0001）面上的垂直生长机制
• 4.1.2 在蓝宝石（11（?）0）面上的水平生长机制
• 4.2 Si衬底上一维ZnO结构生长机制
• 4.2.1 Si（100）衬底上一维ZnO结构生长机制
• 4.2.2 侧面生长机制
• 4.3 小结
• 第五章 一维ZnO结构的光电性能研究
• 5.1 水平生长一维ZnO结构紫外敏感特性的讨论
• 5.2 掺Ga一维ZnO结构的研究
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果