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文檔簡介
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
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