氧化锌纳米结构与薄膜的制备及光学特性研究

论文摘要

ZnO是一种直接带隙的宽带隙化合物半导体材料,室温下禁带宽度约为3.37 eV,激子束缚能（60 meV）。近年来,ZnO纳米材料受到广泛关注,在紫外光发射、场效应管透明传导方面具有广阔的应用前景,此外还可应用于电机械耦合传感器、变频器和生物机械。因此,制备高质量的znO纳米结构具有重要的意义。本文通过脉冲激光沉积技术（Pulsed Laser Deposition）在不同衬底上合成了多种准一维ZnO纳米结构,以及利用射频反应磁控溅射技术（Reactive Radio-Frequency Magnetron Sputtering）在不同温度条件下在p-InP（001）衬底上制备Al掺杂的ZnO纳米薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）,X射线衍射仪（XRD）,光致发光（PL）谱仪,X射线能级散射分析（EDAX）、原子力显微镜（AFM）等测试手段和仪器对样品进行了相应的测试和分析。分为以下几个部分:Ⅰ.采用脉冲激光沉积方法,在InP（100）衬底上制备了不同形貌的ZnO纳米结构,利用场发射扫描电镜、X射线衍射仪、X射线能级散射谱研究了沉积温度对在InP衬底上形成的ZnO纳米结构的影响。研究结果显示:在不同生长温度条件下生长的ZnO纳米结构明显不同,随着衬底温度的升高表面形貌变得更好;在高于500℃的温度下,InP衬底的In元素扩散入ZnO形成In掺杂的ZnO纳米结构。Ⅱ.通过脉冲激光沉积方法,在InAs衬底上制备了ZnO纳米管。利用扫描电镜、X射线衍射仪以及X射线能级散射谱测试了在InAs衬底上形成的ZnO纳米结构。研究结果显示:在650℃生成的纳米结构晶格质量较好,由于生长温度高,衬底表面分解出的铟扩散与ZnO合成InZnO化合物,实现铟的掺杂。合成的ZnO纳米管阵列较为致密、晶格质量较好,垂直于衬底,此方法制备出的ZnO纳米管结构具有较好结构特性和较高的光学质量,为进一步实现ZnO纳米器件提供了一种可行方法。Ⅲ.采用射频磁控溅射方法,在不同的衬底温度条件下制备了Al掺杂的ZnO纳米薄膜。研究了不同衬底温度对所生长的ZnO纳米薄膜的结晶特性和光学特性的影响。研究结果表明:随温度升高晶体质量和光学性质变好,550℃时质量最好,当进一步升高衬底温度,晶体质量和光学性质变差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 氧化锌概述
• 1.1 ZnO的基本性质
• 1.2 ZnO薄膜的制备技术
• 1.2.1 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.2.2 分子束外延（MBE）
• 1.2.3 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 1.2.4 原子层外延（ALE）
• 1.3 纳米氧化锌的制备方法
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 液相法
• 1.3.3 气相法
• 1.4 纳米氧化锌的研究进展
• 1.4.1 二维纳米结构ZnO薄膜
• 1.4.2 ZnO纳米线
• 1.4.3 ZnO纳米棒
• 1.4.4 ZnO纳米带
• 2 纳米氧化锌的制备及分析方法
• 2.1 纳米氧化锌的制备
• 2.1.1 脉冲激光沉积技术基本原理及特点
• 2.1.2 磁控溅射技术基本原理及特点
• 2.2 纳米结构的表征
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 光致发光谱（PL）
• 2.2.4 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.5 X射线能级散射分析（EDAX）
• 3 InP（001）衬底上生长ZnO纳米结构和性能分析
• 3.1 ZnO纳米结构的制备及分析方法
• 3.1.1 ZnO纳米结构的制备方法
• 3.1.2 ZnO纳米结构表征
• 3.2 生长籽晶层的ZnO纳米结构的表征与光学性能
• 3.2.1 ZnO纳米结构表面形貌
• 3.2.2 ZnO纳米结构的光致发光特性
• 3.3 在Au膜上制备的ZnO纳米结构的表征与光学性能
• 3.3.1 生长温度对ZnO纳米线的影响
• 3.3.2 生长温度对ZnO纳米线结晶性能的影响
• 3.3.3 650℃制备的ZnO纳米线的成分分析
• 3.4 本章小结
• 4 InAs衬底上ZnO纳米管的生长
• 4.1 ZnO纳米结构的制备及分析方法
• 4.1.1 ZnO纳米结构的制备方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 ZnO纳米管的表面形貌
• 4.2.2 ZnO纳米结构表征和光学性能测量
• 4.2.3 ZnO纳米管的光学性能测量
• 4.3 本章小结
• 5 磁控溅射技术在InP（001）衬底上生长ZnO纳米薄膜
• 5.1 ZnO纳米薄膜的制备及分析方法
• 5.1.1 ZnO纳米薄膜的制备方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 生长温度对ZnO纳米薄膜的结晶性影响
• 5.2.2 ZnO纳米薄膜的光致发光特性
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢