论文摘要
ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，其室温禁带宽度为3．37 eV，激子束缚能为60 meV，远大于室温热能（26 meV），因而理论上会在室温下获得高效的紫外激子发光和激光。而且，ZnO外延生长温度低，抗辐射能力强，原材料资源丰富、价格低廉，对环境无毒无害，制备工艺简单。因此，ZnO是制备室温和更高温度下的半导体激光器（LDs）、紫外光探测器、蓝紫波段LEDs和LDs等的理想材料。通过改变ZnO中Mg的掺入量，让Mg取代Zn的位置，所形成的Zn1-xMgxO薄膜在保持纤锌矿结构不变的前提下能够调节带隙在3．3～4．3 eV之间变化，而且可以和ZnO形成较好的晶格匹配。通过在光电器件中建立ZnO／ZnMgO多量子阱或超晶格结构，可以提高器件的发光效率，调制器件的发光特性。然而要实现这些ZnO／ZnMgO异质结发光器件，一个关键的问题就是获得性能优良的p型Zn1-xMgxO薄膜。目前，国外虽然有人在从事p型Zn1-xMgxO薄膜的研究，但他们都采用Ⅴ族元素作为掺杂源，还没有人采用Ⅰ族元素来制备p型Zn1-xMgxO薄膜。但是，理论计算表明，Ⅰ族元素在ZnO中具有较浅的受主能级。而且，Li原子置换Zn原子形成的受主，在杂质原子周围基本不会形成明显的晶格形变，所以，在本文中我们采用Li掺杂来制备p型Zn1-xMgxO薄膜。此外，ZnO纳米材料由于尺寸的减少，表面和量子限域效应明显，纳米结构表现出比体材料更高的导电率、透明性和传输性等特点，从而使ZnO的纳米结构可以在场发射、医疗、生物传感等领域得到应用。所以，ZnO纳米材料的合成成为一个新的研究热点。目前已经制备出多种不同形貌的ZnO一维纳米材料，包括纳米线、纳米棒、纳米带、纳米钉等。而且，通过Mg的掺杂，可以实现对ZnO能带调制作用，使制备ZnO和Zn1-xMgxO纳米异质结成为可能。因此，ZnO和Zn1-xMgxO纳米材料在构建纳米电子和光学器件方面具有巨大的应用潜力。根据目前ZnO和Zn1-xMgxO薄膜和纳米材料研究中的难点和热点问题，我们分别采用脉冲激光沉积（PLD）和热蒸发的方法对单一Li掺杂和Li-N共掺杂的p型Zn1-xMgxO薄膜以及ZnO和Zn1-xMgxO纳米材料进行了研究。结果如下：[1]采用PLD技术单一Li掺杂的方法成功制备了不同组分的p-Zn1-xMgxO薄膜。观察到吸收边随着薄膜中Mg含量的增加发生蓝移，说明薄膜禁带宽度随Mg含量增加而增大。首次在单一Li掺杂p-Zn0．89Mg0.11O薄膜的PL谱中发现了DAP向e，A0的转换，并且通过计算在Zn0．89Mg0．11O：Li和Zn0．72Mg0．28O：Li薄膜中分别获得了位于价带顶之上约为150 meV和174 meV处的两个LiZn的受主能级。我们认为禁带宽度的增大和受主能级的加深是电阻率随着Mg含量升高而升高，载流子浓度随着Mg含量升高而减小的主要原因。[2]研究了氧气压强对PLD生长的单一Li掺杂Zn0．89Mg0．11O薄膜性能的影响。SIMS测试结果表明薄膜在5-25 Pa氧压的范围内生长时，薄膜中Li元素的含量随着氧压的增大呈现出先增大再减小的趋势。在氧压为15 Pa的条件下沉积的Zn0．89Mg0．11O薄膜具有较高的Li的含量，这就是薄膜在此时呈现p型的原因。[3]通过研究其它生长参数如衬底温度、脉冲激光能量以及靶材中的Li含量等对p型性能的影响，获得了PLD方法生长单一Li掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜的最佳工艺参数，实现了稳定性和重复性都较好的p型Zn1-xMgxO薄膜的生长。[4]采用PLD方法，在高压电离N2O的气氛中制备了性能良好的Li-N双受主共掺杂p型Zn0．89Mg0．11O薄膜，通过在不同N2O压强下生长的Zn0．89Mg0．11O薄膜电学性能的测试，得出在N2O压强为23 Pa时Zn0．89Mg0．11O薄膜的p型性能最好，室温下的电阻率为133Ω·cm，Hall迁移率为1．3 cm2／Vs，载流子浓度为3．62×1016cm-3。在获得性能优良的p型Zn0．89Mg0．11O薄膜的基础上，研制了Zn0．89Mg0．11O：（Li,N）／ZnO异质p-n结。Ⅰ-Ⅴ测试表明该结构具有明显的整流特性，这进一步证明Li-N双受主掺共杂Zn0．89Mg0．11O已经实现了p型转变。[5]采用锌粉和醋酸锌的混合物为原料热蒸发的方法制备了玫瑰花状和剑麻状两种新颖的花状ZnO结构。结果表明源材料中有醋酸锌是形成花状结构的主要原因。剑麻状结构的样品具有较好的场发射性能，是优良的阴极场发射材料。[6]在硅衬底上用热蒸发纯锌粉的方法生长了ZnO纳米棒和纳米钉阵列。测试结果表明这两种结构均属于六方纤锌矿结构，具有明显的c轴择优取向性。由于氧气不足造成Zn蒸气在纳米棒顶端聚集，是形成ZnO纳米钉结构的主要原因。[7]采用热蒸发锌粉和镁粉的混合物通过低温-升温-高温三步生长的方法，首次获得了核／壳结构的ZnO／cubic-Zn1-xMgxO异质结纳米棒，纳米棒是由上下两部分组成，顶部直径约为20 nm的线状结构直接生长在直径约为180 nm的棒状结构之上。测试结果表明纳米棒的顶端线状结构是立方ZnMgO结构，而底部的纳米棒是由六方的纯ZnO和立方的ZnMgO组成核／壳结构构成。我们认为生长温度以及生长工艺的控制是最终获得异质结纳米棒的主要原因。
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