ZnO納米線(xiàn)的熱蒸發(fā)法制備及其受激輻射研究.pdf

1、ZnO是一種典型的半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、激子束縛能高、熱穩(wěn)定性好、無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。ZnO是一種良好的光電轉(zhuǎn)換材料，也是目前已知的唯一具有半導(dǎo)體和壓電體雙重特征的材料，因而在微納電子器件方面具有廣闊的發(fā)展空間。尤其自從碳納米管的發(fā)現(xiàn)以后，一維ZnO納米材料已經(jīng)成為人們研究的焦點(diǎn)。其中ZnO納米線(xiàn)在納米光電子器件和納米電子元器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。另外，高度相干的受激放大表面等離激元輻射（spaser）可視為以等離激元形式存在的

2、―激光‖，是目前納米光學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。
　　本文的研究主要集中于生長(zhǎng)大長(zhǎng)徑比的單晶 ZnO納米線(xiàn)，嘗試構(gòu)成半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)/絕緣介質(zhì)薄膜/金屬SIM三層結(jié)構(gòu)體系，探測(cè)實(shí)現(xiàn)紫外spaser的激射條件。本論文首先采用無(wú)金屬催化劑的簡(jiǎn)單熱蒸發(fā)法在不同襯底（單晶 Si和石英玻璃）上、不同生長(zhǎng)溫度（600~700℃）下制備了ZnO納米線(xiàn)。然后采用X射線(xiàn)衍射譜（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析儀（EDS）、透射電子顯微鏡（TEM）

3、以及熒光光譜儀等測(cè)試手段，研究了 ZnO納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、形貌及性能，以及生長(zhǎng)溫度和襯底種類(lèi)對(duì)ZnO納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、形貌及性能的影響。此外，研究了不同的ZnO薄膜過(guò)渡層對(duì)ZnO納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、形貌及性能的影響。ZnO薄膜過(guò)渡層選用射頻磁控濺射鍍膜設(shè)備預(yù)先在Si襯底上沉積。最后根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種制備的ZnO納米線(xiàn)的生長(zhǎng)過(guò)程、生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了討論和初步解釋。
　　本文選用雙離子束濺射沉積系統(tǒng)來(lái)制備 MgF2和 Al薄膜，并采用原子力顯微鏡（

4、AFM）對(duì)薄膜進(jìn)行了表面形貌和表面粗糙度表征，探索最適宜的薄膜的制備參數(shù)條件，嘗試構(gòu)成ZnO納米線(xiàn)/絕緣介質(zhì)薄膜MgF2/金屬Al薄膜的SIM三層結(jié)構(gòu)體系，探測(cè)實(shí)現(xiàn)紫外spaser的激射條件。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：
　　1.采用無(wú)金屬催化劑的簡(jiǎn)單熱蒸發(fā)法在不同襯底（單晶Si和石英玻璃）上、不同生長(zhǎng)溫度（600~700℃）下成功制備得到了大長(zhǎng)徑比的單晶ZnO納米線(xiàn)。對(duì)不同生長(zhǎng)溫度和襯底種類(lèi)條件下生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、形貌及性

5、能進(jìn)行了研究。XRD結(jié)果表明，制備得到的 ZnO納米線(xiàn)呈現(xiàn)出完美的單晶和六方釬鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的c軸擇優(yōu)取向。且產(chǎn)品的純度高、結(jié)晶質(zhì)量好。SEM表面形貌圖表明，ZnO納米線(xiàn)大量覆蓋在Si襯底和石英玻璃上。且700℃是一系列生長(zhǎng)溫度中生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)的最優(yōu)化溫度，在此生長(zhǎng)溫度下，ZnO納米線(xiàn)長(zhǎng)徑比達(dá)到最大，約為300（長(zhǎng)度約為15um，直徑約為50nm）。EDS結(jié)果顯示，所制備的ZnO納米線(xiàn)的化學(xué)成分中只有鋅和氧兩種元素，說(shuō)明ZnO納米

6、線(xiàn)沒(méi)有其它雜質(zhì)的引入。TEM的選區(qū)電子衍射（SAED）結(jié)果表明，制備的ZnO納米線(xiàn)為單晶六方結(jié)構(gòu)，沿著c軸方向生長(zhǎng)。PL測(cè)試結(jié)果說(shuō)明制備的 ZnO納米線(xiàn)產(chǎn)生兩個(gè)發(fā)光峰：在約387nm（3.20eV）處產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)而尖銳的紫外光發(fā)射峰，同時(shí)，在467~482nm（2.57~2.66eV）范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較弱而寬的藍(lán)光發(fā)射峰,分別歸因于近帶邊（NBE）輻射和 ZnO納米線(xiàn)缺陷（主要是 Zn空位）引起的深能級(jí)缺陷發(fā)光。研究結(jié)果表明，熱蒸發(fā)法制備

7、 ZnO納米線(xiàn)的工藝參數(shù)中，生長(zhǎng)溫度對(duì)獲得ZnO納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、形貌及性能的影響較大，而Si襯底和石英玻璃襯底則區(qū)別不大。
　　2.采用ZnO薄膜過(guò)渡層生長(zhǎng)的ZnO納米線(xiàn)的SEM結(jié)果表明，用此方法長(zhǎng)出的ZnO納米線(xiàn)形貌一致，粗細(xì)均勻，直徑大小幾乎均一，即ZnO納米線(xiàn)生長(zhǎng)的均一性和可重復(fù)性得到提高。且隨著ZnO薄膜過(guò)渡層的濺射時(shí)間由10min增加到20min，薄膜的表面粗糙度從2.76nm增大到9.25nm，獲得的ZnO納米線(xiàn)的平均直

8、徑相應(yīng)增大，納米線(xiàn)的質(zhì)量也更好。
　　3.本文首先采用的無(wú)ZnO過(guò)渡層的簡(jiǎn)單熱蒸發(fā)法制備ZnO納米線(xiàn)，該方法不引入催化劑，是基于氣-固（VS）生長(zhǎng)機(jī)理。先預(yù)鍍一層ZnO薄膜過(guò)渡層，再在其上生長(zhǎng)ZnO納米線(xiàn)的方法，可以用自催化的氣-固（VS）生長(zhǎng)機(jī)理或者氣-液-固（VLS）機(jī)理解釋。
　　4. MgF2和Al薄膜的原子力顯微鏡（AFM）表征結(jié)果顯示，在輔源能量為200eV，濺射時(shí)間為5min時(shí)，得出的 MgF2薄膜表面粗糙度最