ZnO超细纳米线的合成及其光电性能研究

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由于一维纳米材料具有独特的光学、电学、声学以及力学特性,使其性能在许多情况下要比其相应的体相材料应用更广泛。而ZnO作为一种很重要的II-VI族直接带隙、宽禁带的半导体材料,在室温下能带带隙为3.37eV,激子束缚能高达60meV,使得其迅速成为半导体器件材料研究的热点。随着研究的深入,人们发现纳米线与金属电极接触时会形成肖特基势垒,此时,纳米线的电流输运特性主要由势垒控制,而不是由纳米线本身的电阻控制。出现上述现象的主要原因就是纳米线直径较大。在目前的研究中,纳米线的直径通常在100nm以上,该直径要大于由表面态引起的势垒宽度的特征值(20nm左右),这种情况下,纳米线表面存在耗尽层,而在纳米线的中轴附近存在未耗尽的高导层。这种势垒结构会导致纳米线的输运由肖特基势垒控制,纳米线本身电阻的变化对电流没有显著的影响。当纳米线的直径小于势垒宽度的特征值时,此时纳米线的表面势垒无法形成,纳米线处于完全耗尽的状态。由于表面势垒和高导层的消失,控制纳米线输运特性的就不再是肖特基势垒,而是纳米线本身的电阻。因此,构筑基于超细纳米线的检测器件是解决上述问题的有效途径,那么如何获取超细纳米线就成为首先需要解决的问题。虽然一维ZnO纳米材料的研究已经取得了长足的进步,但如何实现形貌、尺寸和结构可控制备依然是个很大的挑战,尤其是制备出直径小于10nm的超细纳米线。另外,在器件构筑方面,要构筑基于超细纳米线的纳米器件依然存在着许多问题,比如成本高、灵敏度低、操作繁琐复杂等。因此,在纳米器件构筑方面仍然需要探索研究更加低廉、高效、便捷的方法。基于上述问题和思路,本论文主要开展了以下工作。首先,尝试采用不同的制备方法,以期获得超细ZnO纳米线。并利用电子束曝光(EBL)技术,制备不同间距的纳米电极。在上述两部分工作的基础之上构筑纳米器件,并对其光电特性进行测试。因此在本论文中,包括了以下几个部分:首先,我们通过简单的溶剂热法以及均匀沉淀法来实现ZnO超细纳米线的合成。通过对反应温度、反应时间等实验参数进行系统地调控,最终通过溶剂热方法制备出了直径在4-10nm的ZnO超细纳米线;同时在常温常压下利用均匀沉淀法得到了直径在15nm左右的ZnO纳米线,该方法解决了溶剂热方法合成超细纳米线产量低的问题。并通过SEM、TEM、HRTEM以及XRD等对纳米线的形貌、尺寸以及结晶性等进行表征,同时也对其在室温下的光学性质进行了研究。其次,我们利用电子束曝光(EBL)方法,综合考虑曝光过程中电子束的束斑、束流、曝光剂量以及溅射金属过程中金属与基底的结合力等因素,最终整合实验条件制备出了电极间距分别在600、300、100nm左右的纳米电极。通过对制备的电极进行SEM、AFM表征,结果表明该条件下制备的纳米电极在剥离过金属之后表面较光滑,残留的金属较少。在不组装纳米线的情况下对电极进行I-V测试,其漏电流一般在10-14-10-15A之间,表明该条件下制备的电极可以用于后续的器件构筑工作。最后,我们对ZnO超细纳米线的光电器件进行了构筑,并测试了其光电性质。实验结果表明,ZnO超细纳米线器件在加紫外光照射下有较强的光响应,光电流较暗态下电流增加了两个数量级。
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