寬禁帶半導(dǎo)體ZnO、GaN及其相關(guān)材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能研究.pdf

1、材料科學(xué)的發(fā)展是人類文明發(fā)展的標(biāo)志，從人類誕生到現(xiàn)在先后經(jīng)歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代，而現(xiàn)在人們進(jìn)入了以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的電子信息時代。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人類文明的不斷進(jìn)步，人們對材料應(yīng)用與需求標(biāo)準(zhǔn)越來越高，目前傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料已經(jīng)漸漸不能滿足人們的需要，探索和研究具有更好性能的新材料成為材料科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)。寬禁帶半導(dǎo)體材料是一種具有優(yōu)良性質(zhì)，能夠應(yīng)用于制作大功率、高溫、高頻器件，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高集成度的半導(dǎo)體材料，是人類社

2、會在未來一段時間內(nèi)最具應(yīng)用前景和研究意義的材料之一。 而伴隨著上世紀(jì)80年代，納米技術(shù)與納米材料的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)材料的性能不僅僅取決于材料本身的化學(xué)組分，還與其微觀結(jié)構(gòu)與聚集狀態(tài)密切相關(guān)。材料的微觀結(jié)構(gòu)及其聚集狀態(tài)又受到材料的制備過程、制備工藝的影響。因此，對材料的生長過程、形貌、結(jié)構(gòu)等宏觀參數(shù)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)調(diào)控，通過研究這些宏觀參數(shù)對材料本身的原子結(jié)構(gòu)、電子分布等微觀參數(shù)的影響，從而改進(jìn)材料的物理性能，對材料科學(xué)的發(fā)展以及材料在實(shí)

3、際生活中的應(yīng)用具有及其重要的意義。 在本論文中，我們選取兩種非常重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料：ZnO和GaN，作為研究對象。采用化學(xué)工程、能帶理論等方法作為研究、制備和設(shè)計(jì)ZnO和GaN材料的手段。針對目前人們對ZnO和GaN材料制備過程、實(shí)際應(yīng)用中遇到的一些關(guān)鍵問題，對制備過程--微觀結(jié)構(gòu)--物理性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)對材料的微結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控，并結(jié)合理論計(jì)算的研究對實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果進(jìn)行解釋和驗(yàn)證，探索材料的性能--結(jié)構(gòu)--

4、過程之間的基本規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)材料的規(guī)?；a(chǎn)提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。 在第一章中，簡單介紹了半導(dǎo)體材料的分類、幾種重要的物理性質(zhì)以及影響半導(dǎo)體材料性能的因素。并簡單的介紹了寬禁帶半導(dǎo)體，特別是ZnO和GaN材料的晶體結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)狀、物理性質(zhì)及應(yīng)用情況。 在第二章中，采用水熱法，通過在反應(yīng)溶液中加入表面活性劑制備了氧化鋅納米棒和FTO導(dǎo)電玻璃襯底上取向排列的ZnO納米棒陣列。通過XRD、SEM、UV-vis分光光度計(jì)、PL等對Z

5、nO納米棒及納米棒陣列的形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了表征，并對其發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過在反應(yīng)溶液中添加PVA和PEG作為表面活性劑，可以有效抑制ZnO沿（100）和（101）方向的生長，降低ZnO生長過程中出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象，并且使ZnO的帶邊發(fā)光峰消失，出現(xiàn)新的紫光發(fā)射峰。通過PVA表面活性劑的添加，氧化鋅納米棒陣列的取向性相對于未添加任何表面活性劑的樣品有了明顯的改善。氧化鋅納米棒陣列的透過率也大幅提高。同添加PVA表面活性劑生

6、長的氧化鋅納米棒一樣，PVA的加入使得原有的氧化鋅帶邊發(fā)射峰消失，而在紫光區(qū)域產(chǎn)生新的發(fā)射峰。為了研究其發(fā)光機(jī)理，我們對所生長的氧化鋅納米棒陣列進(jìn)行了一系列不同氣氛下的退火處理。另外，我們還對氧化鋅納米棒陣列的光催化性能進(jìn)行了研究。 在第三章中，采用共沉淀法成功制備了氧化鋅/氧化銦納米異質(zhì)p-n節(jié)光催化材料。通過系統(tǒng)的研究退火溫度、反應(yīng)物的初始濃度以及Zn/In比例對所制備的樣品的光催化活性的影響，我們得到了制備該體系的最佳條件

7、：Zn/In=1：1，Zn2+的初始濃度為20mM，退火溫度為800℃。通過各種表征手段，對氧化鋅/氧化銦異質(zhì)結(jié)納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌、界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過研究該體系不同樣品的光催化效果，并研究造成不同光催化效果的原因，討論了其能帶結(jié)構(gòu)及載流子在光催化反應(yīng)中的傳輸過程，探索了該體系地光催化機(jī)理。最重要的是，通過制備氧化鋅/氧化銦納米異質(zhì)結(jié)光催化材料，成功驗(yàn)證了異質(zhì)結(jié)或p-n節(jié)對光催化活性的影響，并對今后結(jié)合半導(dǎo)體的能帶理論，通過設(shè)計(jì)能

8、帶結(jié)構(gòu)制備具有特殊用途的可見光響應(yīng)的高效光催化材料提供了基礎(chǔ)，對光催化材料的發(fā)展具有重要的意義。 在第四章中，采用碳熱法制備了氮化鎵以及氧化鋅/氮化鎵固溶體納米材料。通過改變反應(yīng)原料中活性炭的比例，制備了一系列不同的樣品，研究了利用碳熱法制備的氮化鎵、氧化鋅/氮化鎵固溶體材料的結(jié)構(gòu)、形貌以及生長過程。在碳熱法制備納米材料的過程中初始原料中C的比例對材料的生長過程以及形貌會產(chǎn)生重要的影響。通過一系列的測試表征對碳熱法制備氮化鎵、氧

9、化鋅/氮化鎵材料的生長機(jī)理進(jìn)行了探究。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)碳熱法是一種對材料的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控的簡單有效的制備方法。但利用碳熱法制備的氮化鎵以及氧化鋅/氮化鎵材料的物理性質(zhì)以及晶體結(jié)構(gòu)對稱性方面的研究仍需要進(jìn)一步深入的研究。 在第五章中，采用碳熱還原氨化法制備了Mn/C共摻雜的氮化鎵納米材料。在不同的C/Ga比例情況下制備的Mn/C共摻雜氮化鎵材料具有不同的形貌。通過XPS分析了樣品中Mn和C元素的含量及成鍵狀態(tài)，證明了

10、Mn和C成功摻入了氮化鎵晶格。室溫磁性的研究表明，Mn/C共摻雜的氮化鎵納米材料比單純Mn摻雜的氮化鎵材料的飽和磁化強(qiáng)度高大約40倍，并且樣品的飽和磁化強(qiáng)度隨著C/Ga比例的升高而穩(wěn)步增加。這提供了一種通過調(diào)節(jié)初始原料中C/Ga比例，對氮化鎵的形貌及其鐵磁性質(zhì)進(jìn)行控制的方法。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，研究了Mn原子和C原子在氮化鎵晶格內(nèi)的占據(jù)位置，并且討論了Mn/C共摻氮化鎵體系的磁性。計(jì)算結(jié)果表明Mn和C共同摻入氮化鎵晶格時，Mn優(yōu)先占據(jù)

11、Ga的位置，C優(yōu)先占據(jù)N的位置，并且當(dāng)Mn和C共同摻入氮化鎵晶格時，能夠大大提高M(jìn)n原子的摻入量。磁性方面，C的共摻雜能大大提高體系的鐵磁性，并有效抑制向反鐵磁態(tài)的轉(zhuǎn)變。 在第六章中，采用碳熱法制備了Fe、Ni摻雜的氮化鎵納米材料。研究了其不同組分下制備的樣品的結(jié)構(gòu)、形貌以及磁學(xué)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)通過改變初始原料中C的比例，樣品的形貌會相應(yīng)改變。同時，樣品的磁性也會相應(yīng)的變化。 在第七章，對本論文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對現(xiàn)有研

12、究工作存在的問題進(jìn)行了分析與討論。同時，針對目前的工作存在的問題，對未來的研究工作進(jìn)行了規(guī)劃與展望。 總之，半導(dǎo)體材料，特別是寬禁帶半導(dǎo)體材料對人類未來的發(fā)展和科學(xué)水平的提高具有非常重要的意義。在本論文中，我們通過研究ZnO和GaN基系列材料制備過程--微觀結(jié)構(gòu)--材料性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對ZnO和GaN基系列材料的微結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控，探索了材料制備過程中性能--結(jié)構(gòu)--過程之間的基本規(guī)律，這對于改善和提高ZnO和GaN材料的