低維半導(dǎo)體納米材料制備、表征及納米器件研究.pdf

1、低維納米結(jié)構(gòu)材料因其獨特的光、電、磁和機械性能，在納米器件和功能材料等諸多領(lǐng)域具有潛在的技術(shù)應(yīng)用前景。本論文較系統(tǒng)地研究了低維半導(dǎo)體納米材料的合成、表征、物性及其納米光電器件和傳感器，利用簡單的液相合成方法成功制備了高質(zhì)量的CdS、ZnS納米線，ZnO納米錐，PbSe 納米管以及過渡性金屬元素(Mn、Co、Ni)摻雜II-VI族稀磁半導(dǎo)體納米線，研究了納米線的光學(xué)、磁學(xué)等物理特性，利用ZnO 納米錐，PbSe 納米管制備了光電探測器，Z

2、nO納米棒構(gòu)建了納米化學(xué)氣體傳感器，利用CuPc有機半導(dǎo)體納米線構(gòu)建了有機場效應(yīng)晶體管和光開關(guān)器件，對納米器件進行了表征和性能測試，取得了如下主要研究成果：
　　 (一）通過簡單的液相合成方法成功制備了一系列一維II-VI族半導(dǎo)體如CdS、ZnS納米線，ZnO納米錐；低維IV-VI族半導(dǎo)體PbSe納米結(jié)構(gòu)等：
　　 (1)發(fā)了一種簡單的溶劑熱合成方法，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)可控制備了各向異PbSe納米立方體，亞微米級PbSe立

3、方體，PbSe截八面體；討論了PbSe立方體的生長機制，發(fā)現(xiàn)聚合物PAM 對PbSe的形貌具有重要的影響，這對進一步理解PbSe晶體生長具有重要意義。
　　 (2)提供了一種通用的合成硫?qū)倩衔锛{米線的溶劑熱方法，采用PEG-400作為軟模板，無水乙二胺作反應(yīng)媒介，硫脲為硫源，在170℃低溫下成功合成了平滑、筆直的單晶態(tài)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的II-VI族半導(dǎo)體CdS納米線，ZnS納米線，納米線的長度可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時間來控制，并討論了納米

4、線的生長機制。通過UV-vis，PL譜研究了CdS和ZnS納米線的光學(xué)特性，PL譜測試表明CdS 納米線在340nm處有一個強的發(fā)光峰，ZnS 納米線在紫外區(qū)315nm處有一個強的紫外發(fā)光峰。
　　 (3)報道采用一種簡單的水熱液相合成方法大產(chǎn)量制備了新穎結(jié)構(gòu)，形貌規(guī)則的ZnO納米錐，納米錐尖端直徑約200nm，長約50μm，通過XRD，SEM，TEM以及HRETM對產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)進行了表征，并研究了反應(yīng)時間以及PEG-400對

5、產(chǎn)物形貌的影響，討論了ZnO納米錐的生長機制。通過光致發(fā)光光譜研究了ZnO納米錐的光學(xué)性能，ZnO納米錐在387nm處有個強近帶隙紫外發(fā)光峰，表明其具有優(yōu)異的紫外發(fā)光性能。
　　 (4)采用簡單的液相合成方法，以前驅(qū)體納米線作為模板在室溫條件下成功制備了PbSe納米管，納米管直徑約150nm，長數(shù)微米，管壁厚約10nm。通過UV-vis和PL光譜研究了PbSe的光學(xué)性能，PbSe納米管帶隙約1.2eV。
　　 (二)發(fā)展

6、了一種簡單的熔融鹽合成方法首次報道合成了多元結(jié)構(gòu)的SnO2納米帶，包括鋸齒狀，分叉狀，以及直線型結(jié)構(gòu)。通過XRD,SEM和TEM 對產(chǎn)物進行了表征，并討論了鋸齒狀SnO2納米帶結(jié)構(gòu)生長機制，SnO2納米帶生長遵循Ostwald陳化生長機制，PL譜測試觀察到在425nm處有一個很強的藍光發(fā)射峰，這可歸于氧缺陷發(fā)射峰，這些新穎的SnO2納米帶結(jié)構(gòu)有利于進一步理解SnO2納米結(jié)構(gòu)。
　　 (三)通過磁性元素摻雜，制備了高質(zhì)量II-VI

7、化合物稀磁半導(dǎo)體，并研究了稀磁半導(dǎo)體的光學(xué)、磁學(xué)特性：
　　 (1)通過溶劑熱方法第一次合成了高質(zhì)量，單晶態(tài)的Mn 離子摻雜CdS 納米線，XRD、EDX、XRF、TEM以及SAED表征證實Mn 離子已成功摻雜到CdS 晶格內(nèi)部；并且通過PL譜表征在Mn摻雜CdS納米線樣品中觀測到在595nm由于Mn2+躍遷(4T1-6A1)引起的Mn離子橙色發(fā)射峰，室溫EPR測試表明Mn 摻雜CdS納米線為順磁特性。
　　 (2)報道

8、通過簡單的水熱合成方法在低溫(140℃)條件下成功制備了高質(zhì)量的一維Zn1-xNixO和Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體；結(jié)構(gòu)分析表明所制備的樣品為單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，在納米棒中不含其它雜相；PL譜測試表明純ZnO和摻雜ZnO均在386nm處有個強的紫外發(fā)射峰；通過SQUID測試表明樣品具有明顯的室溫鐵磁特征，其中Zn0.95Ni0.05O樣品的飽和磁化強度和矯頑場分別為高達0.4emu/g，~72 Oe,Zn0.95Co0.05O納米線樣品的

9、飽和磁化強度和矯頑場分別為達0.1emu/g，~70Oe；我們認為摻雜ZnO樣品室溫鐵磁性的原因是自由離域化載流子與Ni離子或Co離子中定域化的d自旋相互作用結(jié)果引起的；結(jié)合樣品的光學(xué)性能和室溫鐵磁性能，ZnO基稀磁半導(dǎo)體納米線將在將來自旋電子器件中具有潛在應(yīng)用。
　　 (四)采用一維半導(dǎo)體納米材料作為模塊構(gòu)建了一系列功能性納米器件：
　　 (1)利用ZnO納米錐構(gòu)建了ZnO紫外光電探測器，器件對360nm紫外光具有較好

10、的響應(yīng)；第一次報道利用單根PbSe納米管器件制備超級微型近紅外光電探測器，器件具有良好的光響應(yīng)和較低的操作電壓(2V)，單根納米管的響應(yīng)度約12.5mAW–1；我們結(jié)果表明PbSe納米管光電探測器作為高速，低能耗探測器應(yīng)用于成像和通信領(lǐng)域具有重要意義。
　　 (2)首次成功發(fā)展了一種簡單，快速可靠以及可重復(fù)的室溫條件下工作的ZnO納米棒化學(xué)氣體傳感器，并研究了器件對氨氣和乙醇氣體的傳感特性；結(jié)果表明器件在室溫條件下就有高的靈敏度

11、和快速響應(yīng)時間，與傳統(tǒng)薄膜型氣體傳感器相比(工作溫度300～600℃)，大大降低了氣體傳感器的工作溫度，該器件將在環(huán)境危險氣體以及安全監(jiān)測方面具有重要應(yīng)用前景。
　　 (3)開發(fā)了一種簡單，廉價的合成CuPc有機半導(dǎo)體納米線的方法，采用液相自組裝方法首次報道在室溫條件下大量合成了CuPc有機半導(dǎo)體納米線；并利用CuPc有機半導(dǎo)體納米線作為液相處理納米結(jié)構(gòu)材料的示例制備了光開關(guān)及場效應(yīng)晶體管，器件可通過控制紅外燈的開/關(guān)而在不同電