Li摻雜p型Zn-,1-x-Mg-,x-O薄膜及ZnO和ZnMgO納米材料的研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能為60 meV，遠(yuǎn)大于室溫?zé)崮?26 meV)，因而理論上會在室溫下獲得高效的紫外激子發(fā)光和激光。而且，ZnO外延生長溫度低，抗輻射能力強(qiáng)，原材料資源豐富、價(jià)格低廉，對環(huán)境無毒無害，制備工藝簡單。因此，ZnO是制備室溫和更高溫度下的半導(dǎo)體激光器(LDs)、紫外光探測器、藍(lán)紫波段LEDs和LDs等的理想材料。通過改變ZnO中Mg的摻入量，讓Mg取代Zn的位置，所

2、形成的Zn1-xMgxO薄膜在保持纖鋅礦結(jié)構(gòu)不變的前提下能夠調(diào)節(jié)帶隙在3.3～4.3 eV之間變化，而且可以和ZnO形成較好的晶格匹配。通過在光電器件中建立ZnO/ZnMgO多量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)，可以提高器件的發(fā)光效率，調(diào)制器件的發(fā)光特性。然而要實(shí)現(xiàn)這些ZnO/ZnMgO異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件，一個關(guān)鍵的問題就是獲得性能優(yōu)良的p型Znl-xMgxO薄膜。目前，國外雖然有人在從事p型Zn1-xMgxO薄膜的研究，但他們都采用V族元素作為摻雜源，還

3、沒有人采用I族元素來制備p型Zn1-xMgxO薄膜。但是，理論計(jì)算表明，Ⅰ族元素在ZnO中具有較淺的受主能級。而且，Li原子置換Zn原子形成的受主，在雜質(zhì)原子周圍基本不會形成明顯的晶格形變，所以，在本文中我們采用Li摻雜來制備p型Zn1-xMgxO薄膜。 此外，ZnO納米材料由于尺寸的減少，表面和量子限域效應(yīng)明顯，納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比體材料更高的導(dǎo)電率、透明性和傳輸性等特點(diǎn)，從而使ZnO的納米結(jié)構(gòu)可以在場發(fā)射、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域得

4、到應(yīng)用。所以，ZnO納米材料的合成成為一個新的研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)制備出多種不同形貌的ZnO一維納米材料，包括納米線、納米棒、納米帶、納米釘?shù)?。而且，通過Mg的摻雜，可以實(shí)現(xiàn)對ZnO能帶調(diào)制作用，使制備ZnO和Zn1-xMgxO納米異質(zhì)結(jié)成為可能。因此，ZnO和Znl-xMgxO納米材料在構(gòu)建納米電子和光學(xué)器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。 根據(jù)目前ZnO和Zn1-xMgxO薄膜和納米材料研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，我們分別采用脈沖激光沉積

5、(PLD)和熱蒸發(fā)的方法對單一Li摻雜和Li-N共摻雜的p型Zn1-xMgxO薄膜以及ZnO和Zn1-MgxO納米材料進(jìn)行了研究。結(jié)果如下： [1]采用PLD技術(shù)單一Li摻雜的方法成功制備了不同組分的p-Zn1-xMgxO薄膜。觀察到吸收邊隨著薄膜中Mg含量的增加發(fā)生藍(lán)移，說明薄膜禁帶寬度隨Mg含量增加而增大。首次在單一Li摻雜p-Zn0.89Mg0.110薄膜的PL譜中發(fā)現(xiàn)了DAP向e，A0的轉(zhuǎn)換，并且通過計(jì)算在Zn0.89M

6、g01.110：Li和Zn0.72Mg0.28O：Li薄膜中分別獲得了位于價(jià)帶頂之上約為150 meV和174 meV處的兩個LiZn的受主能級。認(rèn)為禁帶寬度的增大和受主能級的加深是電阻率隨著Mg含量升高而升高，載流子濃度隨著Mg含量升高而減小的主要原因。 [2]研究了氧氣壓強(qiáng)對PLD生長的單一Li摻雜Zn0.89Mg0.110薄膜性能的影響。SIMS測試結(jié)果表明薄膜在5-25 Pa氧壓的范圍內(nèi)生長時(shí)，薄膜中Li元素的含量隨著

7、氧壓的增大呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢。在氧壓為15 Pa的條件下沉積的Zn0.89Mg0.110薄膜具有較高的Li的含量，這就是薄膜在此時(shí)呈現(xiàn)p型的原因。 [3]通過研究其它生長參數(shù)如襯底溫度、脈沖激光能量以及靶材中的Li含量等對p型性能的影響，獲得了PLD方法生長單一Li摻雜p型Zn1-xMgxO薄膜的最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性和重復(fù)性都較好的p型Zn1-xMgxO薄膜的生長。 [4]采用PLD方法，在高壓電離N2O的氣

8、氛中制備了性能良好的Li-N雙受主共摻雜p型Zn0.89Mg0.110薄膜，通過在不同N2O壓強(qiáng)下生長的Zn0.89Mg0.110薄膜電學(xué)性能的測試，得出在N2O壓強(qiáng)為23 Pa時(shí)Zn0.89Mg0.110薄膜的p型性能最好，室溫下的電阻率為133Ω·cm，Hall遷移率為1.3 cm2/Vs，載流子濃度為3.62x 1016 cm-3。在獲得性能優(yōu)良的p型Zn0.89Mg0.110薄膜的基礎(chǔ)上，研制了Zn0.89Mg0.110：(Li

9、,N)/ZnO異質(zhì)p-n結(jié)。I-V測試表明該結(jié)構(gòu)具有明顯的整流特性，這進(jìn)一步證明Li-N雙受主摻共雜Zn0.89Mg01.110已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了p型轉(zhuǎn)變。 [5]采用鋅粉和醋酸鋅的混合物為原料熱蒸發(fā)的方法制備了玫瑰花狀和劍麻狀兩種新穎的花狀ZnO結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明源材料中有醋酸鋅是形成花狀結(jié)構(gòu)的主要原因。劍麻狀結(jié)構(gòu)的樣品具有較好的場發(fā)射性能，是優(yōu)良的陰極場發(fā)射材料。 [6]在硅襯底上用熱蒸發(fā)純鋅粉的方法生長了znO納米棒和納米釘陣

10、列。測試結(jié)果表明這兩種結(jié)構(gòu)均屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有明顯的c軸擇優(yōu)取向性。由于氧氣不足造成Zn蒸氣在納米棒頂端聚集，是形成ZnO納米釘結(jié)構(gòu)的主要原因。 [7]采用熱蒸發(fā)鋅粉和鎂粉的混合物通過低溫-升溫-高溫三步生長的方法，首次獲得了核/殼結(jié)構(gòu)的ZnO/cubic-Zn1-xMgxO異質(zhì)結(jié)納米棒，納米棒是由上下兩部分組成，頂部直徑約為20 nm的線狀結(jié)構(gòu)直接生長在直徑約為180 nm的棒狀結(jié)構(gòu)之上。測試結(jié)果表明納米棒的頂端線狀結(jié)構(gòu)