ZnO一维半导体纳米材料及阵列的合成、性能与机理研究-凝聚态物理专业论文.docxVIP

华 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I I 摘 要 氧化锌（ZnO）是一种直接宽带隙化合物半导体材料，其室温禁带宽度为 3.37eV， 激子束缚能为 60meV，其激子能够在室温及室温以下稳定存在，是制备半导体激光 器(LD)、（LED）的理想材料。ZnO 还是迄今发现的纳米结构最为丰富的材料, ZnO 纳米材料作为优良的半导体材料，同时又具有纳米材料所特有的物理、化学特性， 在制备纳米光电子器件和纳米电子器件方面有着很好的应用价值。相比于其它制备 一维 ZnO 纳米材料的方法，水热法具有造价低、设备简单和可以大批量生产的优点。 探索 ZnO 纳米材料的低温水热法可控生长，掌握水热条件下 ZnO 材料的生长特性、 研究其潜在的新的物理、化学属性，发展其相关器件应用是 ZnO 纳米材料的研究热 点。本论文主要从 ZnO 纳米结构的水热法制备、结构表征、生长机制、光致发光性 能等方面进行深入研究。主要内容如下： (1) ZnO 纳米结构的生长及形貌控制。采用低温水热法在干净的 Si 基底、镀有金 膜的 Si 基底及干净的 Zn 片上制备出了花状的 ZnO 纳米棒。分析了花状形貌形成的 机理，并研究了随温度的升高，ZnO 由花状结构变为棒状结构的原因。 (2) ZnO 纳米棒的定向生长。分别以氧化的锌片、镀有 ZnO 种子层的 Si 片和载 玻片为基底通过水热法生长出了排列整齐，直径可控且垂直于基底的 ZnO 纳米棒阵 列。探讨了浓度、生长时间及基底等因素对 ZnO 纳米棒阵列的直径、密度、长度及 生长取向性的影响；分析了纳米棒垂直于基底生长的原因； 研究了水热条件下 ZnO 纳米棒的生长习性和各个晶面的生长速率与 ZnO 纳米棒最终形貌的关系。 (3) 研究了 ZnO 纳米棒阵列在氩气中退火前后的拉曼散射谱。通过分析发现， 退火后散射谱在 ZnO 的特征峰 437cm-1 处的峰明显增强, 这可能是由于退火后 ZnO 的结晶质量变好，缺陷减少所致。 (4) ZnO 纳米结构光致发光性能的研究。花状 ZnO 和 ZnO 纳米棒阵列的光致发 光图中都出现了 380nm 处的窄紫外发射峰和一个展宽的绿光发射带。紫外发射峰对 应于近带边发射，来源于激子发光，而展宽的绿光发射带可能对应深能级发射，是 II II 由 ZnO 中的缺陷氧空位和锌间隙造成。此外还发现退火后 380nm 附近的紫外峰强度 明显增强，而绿峰的强度极度减小，这可能是源于我们在氩气中退火后氧缺陷得到 的了减少，进一步验证了退火能够改善晶体的结晶质量。 关键词：水热法；ZnO 纳米结构；定向生长；光致发光 PAGE VI PAGE VI Abstract Znic oxide is a semiconductor with a direct wide band gap of 3.37 eV at room temperature. Its exciton energy is up to 60meV binding. The large excition binding energy makes ZnO more competitive in obtaining efficient lasing by excitonic emission compared to other wide-band–gap semiconductors. ZnO is an ideal material for fabricating semiconductor laser devices operating at room temperature or even higher. On the other hand, nanostructured ZnO has a diverse group of growth morphologies, which is regard as the richest family among all the nanomaterials. As a multifunctional semiconductor and also nanoscale materials, ZnO nanostructures have many special physical and chemical properties, ZnO nanostructures have promising potentials in extensive applications and are the essential building blocks for fabricating nano-optoelectronics and nano-electronics dev