ZnO基半导体—金属异质纳米结构

论文摘要

新型半导体异质结构是当前半导体科学技术研究的前沿领域。借助异质材料的接触与融合所产生的表面和界面的奇异功能特性,来创造新型材料和器件,已成为许多研究领域的指导思想。本论文从ZnO基半导体出发,探索发展新结构、揭示新现象、阐释其物理机制,着重介绍了两方面工作:ZnO/Au异质结构材料设计、制备,并对ZnO薄膜的应力、发光特性以及极性控制作进一步的探讨;Zn2SiO4纳米线和Zn2SiO4-Zn异质结构纳米同轴线的制备,及其发光性质研究。在ZnO/Au异质结构材料的研究中,首先采用了基于密度泛函理论的从头计算方法,参照层晶模型的构建方法,设计了Au（111）及其上面的ZnO形成的ZnO/Au异质结构模型。通过模拟计算ZnO不同结构的体系总能,优化并确定了ZnO薄膜的结构性质。接着我们在Si衬底上溅射沉积了两种厚度的Au薄膜,后用气相沉积方法在不同温度下沉积了ZnO薄膜。研究发现Au形成纳米晶粒后生长的ZnO薄膜表面呈六角对称小丘状,薄膜沿c轴生长,晶粒尺寸较大,晶粒间接合较好,晶体质量较好;通过Raman、CL、CBED等表征手段表明,用纳米Au晶粒引导异质生长ZnO薄膜,不仅能够充当生长晶核,还能够控制ZnO薄膜为Zn极性、降低Si衬底与外延层间的失配应力、提高带边紫外发光效率。此外结合理论模型,进一步探讨Au纳米颗粒上ZnO薄膜的生长机制;提出在晶核形成时处于富Zn状态,随着晶核慢慢向边上生长,Zn和O的比例越来越接近理想化学剂量配比,ZnO的质量也更好,岛状的ZnO慢慢接合在一起,形成质量较好的无晶界的薄膜结构。另一方面,我们用简单的气相沉积生长了Zn2SiO4纳米线和Zn2SiO4-Zn异质结构纳米同轴线阵列。使用了包括扫描电子显微镜、能量色散X射线谱、高分辨透射电子显微镜以及X射线衍射等各种实验方法对样品进行了表征,提出了一种新的应力促进生长机制,为生长均匀的纳米同轴线提供一种新的技术。同时测量了不同温度下样品的阴极荧光谱,在300 nm左右、560 nm和865 nm左右分别出现了强度依次减弱的峰。各峰的半高宽都随温度增长而增大。通过对比Zn2SiO4纳米线的发光特性表明,回音壁模式为光在Zn2SiO4纳米线内传播的主要模式,因而不同直径的Zn2SiO4纳米线得到不同波长的发光;波长约为560 nm

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料研究的进展和趋势
• 1.1.1 纳米材料的基本概念和性质
• 1.1.2 纳米材料的特性和应用
• 1.1.3 纳米材料的制备方法
• 1.1.4 异质结构纳米材料
• 1.2 ZnO 基半导体异质结构材料的研究背景
• 1.2.1 ZnO 材料的基本特性
• 1.2.2 ZnO 材料生长方法
• 1.2.3 ZnO 材料的应用及发展前景
• 1.3 论文构架
• 参考文献
• 第二章 材料制备和表征方法
• 2.1 衬底的选择
• 2.2 材料制备方法
• 2.2.1 材料的磁控溅射沉积
• 2.2.2 材料的化学气相沉积
• 2.3 材料表征方法
• 2.3.1 晶格结构的X 射线衍射
• 2.3.2 材料的扫描电子显微镜观测
• 2.3.3 材料结构的透射电子显微镜观测
• 2.3.4 材料应力的拉曼散射光谱分析
• 参考文献
• 第三章 ZnO/Au 异质纳米结构材料的设计
• 3.1 引言
• 3.2 理论计算方法
• 3.2.1 密度泛函理论
• 3.2.2 赝势
• 3.2.3 VASP 程序包
• 3.3 ZnO/Au 薄层的结构设计
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 ZnO/Au 异质纳米结构的制备和特性
• 4.1 引言
• 4.2 Au 纳米薄膜的沉积
• 4.3 Au 纳米缓冲层上的ZnO 生长
• 4.3.1 ZnO 薄膜的生长
• 4.3.2 异质纳米结构ZnO 中的应力释放
• 4.3.3 异质ZnO 薄膜极性的作用
• 4.4 小结
• 参考文献
• 2SiO₄-Zn纳米同轴异质结构的制备和特性'>第五章 Zn₂SiO₄-Zn纳米同轴异质结构的制备和特性
• 5.1 引言
• 5.1.1 一维纳米结构生长过程
• 5.1.2 化学气相法制备一维纳米材料
• 5.1.3 异质结构一维纳米材料
• 2SiO₄纳米线'>5.2 Zn₂SiO₄纳米线
• 2SiO₄-Zn 纳米异质同轴线'>5.3 Zn₂SiO₄-Zn 纳米异质同轴线
• 5.3.1 表面形貌
• 5.3.2 结构
• 5.3.3 化学组成
• 5.3.4 生长机制
• 5.3.5 纳米异质同轴线的发光特性
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 纳米同轴异质结构中光放大的研究
• 6.1 引言
• 6.2 纳米同轴异质结构中的光传播模式
• 6.2.1 Zn 金属芯中的等离子体激元传播
• 2SiO₄ 壳层中的光学回音壁模式和波导模式'>6.2.2 Zn₂SiO₄壳层中的光学回音壁模式和波导模式
• 2SiO₄-Zn 纳米同轴线内发射器－谐振腔耦合'>6.3 Zn₂SiO₄-Zn 纳米同轴线内发射器－谐振腔耦合
• 6.3.1 同轴线中的自发辐射现象
• 6.3.2 同轴线中的Rabi 分裂
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 附录 博士期间发表的论文
• 致谢