硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)的可控?fù)诫s及其光電子器件研究.pdf

1、硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體是主要的直接帶隙半導(dǎo)體，其一維納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米帶、納米管等由于其獨特的電學(xué)和光學(xué)特性，是制備新一代微納米電子和光電子器件的良好的候選半導(dǎo)體納米材料，已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和深入的研究。然而，其一維納米結(jié)構(gòu)的形貌、性能的均一性較難實現(xiàn)以及n型、p型摻雜的不可控極大的限制了其在納米電子和光電子器件中應(yīng)用。此外，各種納米電子、光電子器件的實現(xiàn)以及對其工作機(jī)理的研究、器件性能的優(yōu)化提高以實現(xiàn)穩(wěn)定高性能納米功能器件

2、也一直是研究人員所追求的目標(biāo)。因此，發(fā)展合成制備形貌、性能均一且可控?fù)诫s的高質(zhì)量硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體的一維納米結(jié)構(gòu)的方法;探索其在各種納米電子、光電子器件中的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計器件結(jié)構(gòu)最終實現(xiàn)高性能納米器件的方法，具有重要意義。
　　 針對以上問題，本文在合成制備高質(zhì)量硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有效n型、p型摻雜獲得形貌均一、性能可控的高結(jié)晶質(zhì)量的一維納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，探索一維納米結(jié)構(gòu)在納米電子和光電子器件中應(yīng)用，并成功制備了一

3、系列的納米器件，包括場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、光伏電池、光電探測器和存儲器等。取得的主要成果如下:
　　 1.通過熱蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積方法制備了形貌均一、性能可控的多種硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)n型、p型有效摻雜，包括鎵摻雜n型CdS、鎵摻雜n型CdSe、銻摻雜p型ZnTe以及氮摻雜p型ZnSe-維納米結(jié)構(gòu)。其中鎵摻雜CdS納米帶具有單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其生長方向為[001]，鎵摻雜CdSe納米線和納米帶均為單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，

4、沿[001]方向生長，銻摻雜ZnTe納米帶具有單晶閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其生長方向為[11-1]，氮摻雜ZnSe納米帶具有單晶閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其生長方向為[-1-11]。通過構(gòu)筑基于CdS、CdSe、ZnTe和ZnSe一維納米結(jié)構(gòu)的納米場效應(yīng)晶體管器件并對電學(xué)輸運(yùn)特性的分析驗證了n、p型摻雜的有效性。
　　 2.通過優(yōu)化晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用頂柵結(jié)構(gòu)，同時使用高介電常數(shù)的絕緣層材料實現(xiàn)高性能的頂柵結(jié)構(gòu)的納米場效應(yīng)晶體管器件。(i)基于n型鎵摻雜

5、CdS納米帶頂柵結(jié)構(gòu)MISFET的跨導(dǎo)、載流子遷移率、亞閾值擺幅、電流開關(guān)比和閾值電壓分別為233nS，81cm2/Vs，0.59V/dec，～106，～1.8V。和MOSFET相比，分別提高了10，4，＞67，～106和＞10倍。(ii)基于p型銻摻雜ZnTe納米帶的頂柵MISFET的跨導(dǎo)、載流子遷移率、亞閾值擺幅、電流開關(guān)比和閾值電壓分別為372nS，11.2cm2/Vs，1.58V/dec，7×102，～1V。和MOSFET相比，

6、分別提高了46，10，186，4×102和29倍。
　　 3.結(jié)合微納加工工藝和濕法刻蝕工藝，成功開發(fā)了一種簡單有效的制備一維納米結(jié)構(gòu)與體硅的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的方法。通過濕法刻蝕法制備出帶有絕緣島狀圖形結(jié)構(gòu)，并將一維納米材料有序分散到襯底上，形成一端與體硅接觸，一端位于絕緣島上從而形成異質(zhì)結(jié)器件。通過此種方法能夠方便有效在同一器件在同時實現(xiàn)發(fā)光二極管、光伏器件以及光電探測器等三種納米功能器件，為納米器件的集成應(yīng)用提供了良好的途徑。

7、r>　　 分別制備了基于單根n型鎵摻雜CdS納米帶、n型鎵摻雜CdSe納米帶與p型硅的異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。n-CdS/p-Si、n-CdSe/p-Si異質(zhì)結(jié)都展示了良好的二極管整流特性，整流比均達(dá)到104。在室溫下，通過施加正向偏壓能夠觀察到CdS/Si異質(zhì)結(jié)二極管發(fā)出黃綠色的光，CdSe/Si異質(zhì)結(jié)二極管發(fā)出紅色的光。通過微區(qū)拉曼光譜儀檢測波長分別為524納米和710納米，分別于CdS和CdSe的禁帶寬度所對應(yīng)，這表明光的發(fā)射主要來自

8、CdS和CdSe一側(cè)，這是由于直接帶隙的CdS和CdSe的輻射復(fù)合效率遠(yuǎn)高于間接帶隙的Si。
　　 4.成功實現(xiàn)了基于單根n型鎵摻雜CdS納米帶、n型鎵摻雜CdSe納米帶與p型硅的異質(zhì)結(jié)光伏器件;n型CdS納米帶、n型鎵摻雜CdSe與Au形成的肖特基型光伏器件。對基于單根一維納米材料的光伏器件的研究不僅為探索納米材料在新概念能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用方面提供了很好的平臺，而且為納米尺度下的光電子集成電路提供能源。研究表明n-CdS/p-Si、

9、n-CdSe/p-Si異質(zhì)結(jié)器件和CdS/Au、CdSe/Au肖特基結(jié)器件都展示了良好的二極管整流特性。在光照條件下，這四種光伏器件都能夠觀察到顯著的光伏特性。在標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬光源下，n-CdS/p-Si、n-CdSe/p-Si異質(zhì)結(jié)光伏器件的轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到1.24％、2.7％。CdS/Au、CdSe/Au肖特基光伏電池在光強(qiáng)為7.4mW/cm2的氙燈光源照射下的轉(zhuǎn)換效率分別為3.8％、4.1％。
　　 5.實現(xiàn)了基于硫?qū)倩?/p>

10、物一維納米結(jié)構(gòu)的三種結(jié)構(gòu)類型的光電探測器，包括光電導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)型和肖特基結(jié)型探測器，并探討了不同器件結(jié)構(gòu)類型對于光電探測器性能的影響。其中(i)CdS納米帶光電導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)和肖特基結(jié)型探測器的響應(yīng)度、光電導(dǎo)增益、響應(yīng)速度分別為分別為1.2×104A/W、IOOA/W、8A/W，3×104、260、20，＞1/1s、300/740μs、95/290μs。(ii)鎵摻雜CdSe納米帶的光電導(dǎo)型、n-CdSe/p-ZnTe異質(zhì)結(jié)型和CdSe/

11、Au肖特基結(jié)型光電探測器的響應(yīng)度、光電導(dǎo)增益、響應(yīng)速度分別為2.1×104A/W、8.5A/W、1.2×103A/W，5.5×104、22、3×103，＞1/1s、37/118μs、110/250μs。(iii)基于單根銻摻雜ZnTe納米帶的光電導(dǎo)型和p-ZnTe/n-Si異質(zhì)結(jié)型光電探測器的響應(yīng)度、光電導(dǎo)增益、響應(yīng)速度分別為4.8×104A/W、1.8×103A/W，1.2×105、4.2×103，5/12ms、790/960μs。此

12、外ZnTe光電導(dǎo)型探測器具有非常高的探測率達(dá)到1.4×1016。(iv)基于單根氮摻雜的ZnSe納米帶的光電導(dǎo)型探測器，其響應(yīng)度R、光電導(dǎo)增益G分別為2.39×10sA/W，6.44×105;上升和下降沿時間約為0.5s。通過分析發(fā)現(xiàn)，光電導(dǎo)型探測器通常具有較高的響應(yīng)度和光電導(dǎo)增益，而結(jié)型探測器因為內(nèi)建電場能夠加速分離電子-空穴對因而導(dǎo)致了較快的響應(yīng)速度。
　　 6.通過構(gòu)建CdSe納米線與Au的肖特基結(jié)器件實現(xiàn)了非易失性存儲器

13、，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于單根CdSe納米線的多比特非易失性存儲器和基于柔性透明襯底的存儲器件。研究分析存儲器的器件性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其具備良好的存儲性能，高低阻態(tài)電阻值比超過104，較低的工作電壓(2V)，較長的數(shù)據(jù)保存時間（超過104s），較穩(wěn)定的器件性能（超過8個月）。通過界面介質(zhì)層的氧空位捕獲和釋放電子很好的解釋了存儲器的工作原理。為了拓展CdSe納米線存儲器的應(yīng)用，在單根納米線上實現(xiàn)多比特的存儲，以及在透明柔性襯底(PET塑料)上制備