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第十三届全国固体薄膜学术会议（NCTSF2012 ，山东烟台，2012 年 8 月） ZnO 纳米棒/多孔硅复合体系结构和发光特性的研究  4 1,2* 1 2 1 黄瑞志 ，李清山 ，赵风周 ，张立春 ，张忠俊 （1.鲁东大学物理与光电工程学院，山东 264025 ；2.曲阜师范大学物理工程学院，山东 273165） 摘 要：用水热合成法在多孔硅衬底上生长了 ZnO 纳米结构，制备了 ZnO 纳米结构/多孔硅 复合体系，研究了其结构、形貌以及发光性质。X 射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜 （SEM）测量表明，多孔硅衬底上生长的 ZnO 纳米结构为多晶六方结构。室温下光致发光光 谱（PL）显示，ZnO 纳米结构/多孔硅复合结构在可见光区具有很强的光致发光现象，多孔硅 的橙红光与 ZnO的发光叠加在一起，产生白光发射。 关键词: 多孔硅；ZnO纳米结构；光致发光；白光发射 1. 引言 ZnO 是一种直接带隙宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为 3.37eV。其激子束缚能高达 60meV，是室温热离化能(26 meV)的 3 倍，远高于 ZnSe（22meV）、ZnS（40meV）和 GaN（25meV）等 材料，这使得 ZnO 能够在室温甚至更高温度利用激子复合实现高效、稳定的光发射[1-2]。在 ZnO 的发 光谱中，除了具有很高量子效率的紫外波段的发光峰外，还存在一个展宽的可见光波段的发射带。 前者来自于近带边自由激子的复合，而后者则一般认为是由于禁带中的深能级缺陷态导致—也称为 亚带隙光发射[3-4]。这种波长范围涵盖紫外到红光的整个区间可见光波段的亚带隙发射是一种非常有 价值的性质，为 ZnO 白光发射应用提供了基础，使 ZnO 成为一种十分有潜力的固态发光材料。 多孔硅（Porous Silicon，PS）材料，自从其室温下的光致发光现象被发现以来，人们对其制 备方法、表面形态、发光机理等方面做了深入研究，PS 的发光也展示了硅在光学器件、光电子及显 示技术等方面的应用前景[5-7]。根据 PS 和 ZnO 发光谱的特征，将 ZnO 薄膜沉积在 PS 衬底上，利用 PS 发出的橙红光与 ZnO 发出的蓝绿光相叠加，可以实现白光发射。Anisha 等人[8]在 PS 衬底上沉积 了 CdS 和 ZnS 薄膜得到 CdS/PS 和 ZnS/PS 异质结，报道了其白光发射。Dimova-Malinvska 等人[9]用 磁控溅射的方法在 PS 衬底上沉积了 ZnO 薄膜，报道了 ZnO/PS 异质结的白光发射。然而文献中极少 有关于水热合成法在 PS 衬底上生长 ZnO 纳米结构的报道。ZnO 纳米结构由于具有独特的尺寸效应和 量子限制效应，常表现出优异的光学性能和电子输运能力，近来受到人们广泛关注[10-11]。ZnO 纳米结 构（如纳米棒）由于杂质或缺陷的大量存在，常具有较强的可见发光发射[12]。因此，利用 ZnO 纳米 结构与 PS 复合，能够大大提高 ZnO纳米结构/多孔硅复合体系的可见光发射。 本文以多孔硅为衬底，利用水热合成法生长了 ZnO 纳米结构，制备了 ZnO 纳米结构/多孔硅复合 体系，并研究了它的形貌、结构和发光特性。 2. 实验 实验采用单面抛光的 p 型硅片，其晶向为111，电阻率为 1-10Ωcm，用单槽电化学氧化方法 制备多孔硅。在氧化之前，首先用丙酮、乙醇和去离子水分别清洗硅片，然后放入 HF 和乙醇的混合 溶液中浸泡 5min，以去除硅片表面氧化层。使用的电解液为 HF（40%）: 乙醇=1:1 的混合液，乙醇 能有效提高硅片表面的湿润性，电流密度为 15mA/cm2 ，腐蚀时间为 20min。氧化结束后，取出用去 离子水冲洗，然后用高纯氮气吹干。 分别配制摩尔浓度同为 0.03mol/L 的 Zn(NO ) 溶液和 HMT 溶液各 15ml，然后将两种溶液混合均 3 2 匀，倒入反应釜中。将多孔硅衬底竖直放入反应釜中，使其完全浸入 Zn(NO ) 和 HMT 混合溶液中，