基于可摻雜ZnS一維納米結構高性能傳感器的研究.pdf

1、一維半導體納米材料展現出不同與薄膜和體材料優(yōu)越的電學和光電特性，基于納米結構構建的納米傳感器件的研究引起廣泛的關注。ZnS是重要的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶半導體，禁帶寬度為3.7eV，廣泛用于平板顯示、紫外發(fā)光二極管和紫外傳感器等領域。近年來對于一維ZnS納米結構研究發(fā)現，它們具有高的晶體質量和良好的光學特性，這為制備高性能傳感器奠定了基礎。但由于本征ZnS納米材料的高絕緣性，限制了其在納米器件中的廣泛應用，納米材料摻雜是制備高性能器件的重要環(huán)節(jié)

2、。
　　本文將運用化學氣相沉積方法系統(tǒng)研究一維ZnS納米結構的合成及摻雜工藝，利用掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線能譜分析(EDX)、透射電子顯微鏡(HRTEM)、選區(qū)電子衍射(SAED)、光致發(fā)光能譜儀(PL)等對合成納米結構進行表征，進一步優(yōu)化工藝，實現n、p型一維ZnS納米結構可控的合成。同時基于單根n-ZnS納米線和p-ZnS納米帶運用光刻等微納加工手段制備了底柵場效應器件(Back-gate FETs)和結型場效應器

3、件(JFETs)，并對器件的電學、光學以及傳感特性進入了深入詳細的研究，發(fā)現n型ZnS納米線具有高性能的紫外傳感器和濕度傳感器特性，p型ZnS納米帶能夠制備高速節(jié)能的光探測器，綜合起來取得以下有意義的成果：
　　1.以Al單質為Al元素摻雜源，通過控制蒸發(fā)源中摻雜源與ZnS的質量比獲得不同摻雜濃度的n型ZnS：Al納米線(NWs)，進一步形貌和結構分析表明，ZnS：Al納米線尺寸均勻、表面平滑，直徑在30～90nm范圍，長度能夠達

4、到幾百微米，為高質量的單晶纖鋅礦結構，生長方向為[1010]。同時基于單根ZnS：Al納米線的電學測試發(fā)現隨著摻雜濃度的升高，ZnS納米線的電導明顯提高，且能在3個數量級內調控，電子濃度最高達1.3×1018cm-3。以高純Cu2S為Cu元素為摻雜源，合成了尺寸均勻、形貌良好單晶六角纖鋅礦結構的p型ZnS：Cu納米帶(NRs)，空穴濃度高達1.4×1018cm-3。
　　2.對基于n、p摻雜ZnS納米結構制備的場效應晶體管研究發(fā)現

5、，ZnS：Al納米線Back-gate FETs表現出n溝道場效應晶體管特性，隨著摻雜濃度升高，柵極的控制能力減弱，閾值電壓變小，電子遷移率0.16cm2 V-1s-1增加到18.8cm2V-1s-1，呈逐漸增大的變化趨勢；ZnS：Cu納米帶FETs輸出特性為典型的p溝道場效應特性，空穴遷移率達23.6 cm2V-1s-1，制備的p-ZnS：Cu NR/n-CdS的p-n結的理想因子為1.3，JFET的亞閾值擺幅為65mV dec-1。

6、
　　3.以ITO為歐姆接觸電極制備了n型可控摻雜ZnS：Al NWs的紫外傳感器，發(fā)現器件只對波長小于335nm的紫外光有明顯的響應，并且隨著摻雜濃度的提高，器件響應度和增益逐漸增加，最高分別達4.7×106 AW-1和2.3×107，增益帶寬積高達～0.1GHz，具備了能夠進行單光子探測應用的條件；p-ZnS：Cu NR/n-Sip-n結光電探測器在零偏壓下開關比達到105以上，響應速度為毫秒級。
　　4.研究了基于n型

7、ZnS：Al NWs制備的場效應器件對濕度傳感特性，發(fā)現在環(huán)境相對濕度在50％以下時，隨著濕度的增大電流略微減小，這歸咎于納米線表面吸附水分子，奪取內部電子形成OH-，使得納米線表面能帶向上彎曲而形成空穴積累，與內部電子復合導致電導率下降；在濕度大于50％以后，隨著濕度增加，納米線電流呈線性增大趨勢，且濕度從50％增加到90％時，電流增加了兩個數量級，這主要原因來自于水分子的物理吸附。
　　可控摻雜ZnS納米結構的實現為進一步制備