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1、湘潭大学 硕士学位论文 半导体纳米ZnO的制备、掺杂及光学性质 姓名：李新宇 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：郭建 20070501 湘潭大学硕士毕业论文 I 摘 要 ZnO是新一代宽禁带、直接带隙的多功能II-VI族半导体材料。Zn0纳米材料在光电 器件、表面声波和压电材料、场发射器件、传感器、紫外激光器、太阳电池等方面均具 有广泛的应用前景。 本文系统地研究了 Zn0 晶须的控制合成、生长机理及性能，采用简单的气相反应方 法，实现了 Zn0 晶须形态和尺度的控制生长，制备出形态规则、结构均匀的各种 Zn0 晶 须： 一维 Zn0 纳米线、 梳妆、 花瓣状以及刺猬状
2、 Zn0 纳米结构。 利用扫描电子显微镜 （SEM， JEOL-6360LV）和透射电镜（TEM）对实验中制备出的样品的形貌、尺寸和微观结构进行 表征，用 X 射线衍射仪（XRD，MAC science M18X）对其结构和成分进行了分析. Zn0 晶须生长的关键是控制成核和生长过程，而反应体系的工艺参数决定着成核和 生长过程，最终影响 Zn0 晶须的形貌。刺猬状 Zn0 纳米结构经过两个步骤，先成核，然 后生长纳米线，并发现在通入氧气之前形成的 Zn 液滴对辐射球状结构的形成起关键的 作用；梳状纳米结构的形成先通过 VS 机制形成微米带，一侧的纳米线阵列通过自催化 生长平行于（0001）极性
3、面形成。对样品的光致荧光(PL)谱测量发现了位于 390nm 和 495nm 处的室温光致发光峰，分别对应紫外和绿光发射峰。 对掺杂后的ZnO晶体结构、微观形貌、光学特性进行了表征和研究。采用场发射扫 描电子显微镜(FSEM)对所得掺杂ZnO纳米材料进行微观形貌表征，结果表明一定量Mg的 加入影响晶须的生长形貌。 论文中选用氙灯激发，在不同激发波长作用下，观察到了室温下 MgxZn1-x0 纳米材 料的光致发光(PL)谱在紫外、蓝光及绿光范围内的发光情况。其中，每个 PL 峰对应于 一个特定的激发波长。蓝色发光峰的强度较强，紫外发光峰的强度较弱。同时，在同波 长的激发光的作用下，随着 Mg 含
4、量的增大，Zn0 纳米材料的紫外发射峰上出现了微弱 的蓝移现象(即向高能位置移动)。我们分析认为，实验中所观察到的 Zn0 和 MgxZn1-x0 纳米结构的 UV 发光峰则是由自由激子辐射复合引起的。另外，样品的蓝、绿色发光峰 与纳米材料制备中产生的缺陷有关。 关键词：ZnO， MgxZn1-x0，结构及表面形貌，生长机理，光致发光 湘潭大学硕士毕业论文 II ABSTRACT ZnO is a new generationalm ultifunctional II-VI compound semiconductor with a wide and direct band gap. ZnO
5、nanostructures show great promising applications in opto-electric devices surface acoustic wave devices, piezoelectricity materials, field emiters, sensors, ultraviolet Lasers, solar cells and so on. ZnO materials exhibit a wide range of electrical and optical properties that depend sensitively on b
6、oth shape and size, and are of both fundamental and technological interest. We have demonstrated a simple vapor-phase approach to control growth of ZnO whiskers. Some types of ZnO whiskers with various shape and size, including ZnO nanowires、flower-like、 urchin-like and comb-like nanostructures, hav
7、e been obtained by controlled growth process in our laboratory. The micro morphology ，the phase composition and crystal structure of as prepared samples were analyzed by means of scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM)，X-ray diffraction(XRD),respectively. The growt
8、h mechanisms of various ZnO whiskers are proposed based on our experimental observations. The key for controlling the shape and size is the level of supersautration that controls ZnO nucleation and growth. The supersaturation in the reaction vessel strongly depends on the processing parameters. The
9、formation of ZnO urchin-like nanowires follows a two-step process: one nucleation and another growth, it is found that the formation of the sphere-shaped liquid Zn droplets before adding oxygen is a key factor to control the morphology of the urchin-like nanowires; The formation of the comb-like mic
10、robelts follows the process: the microbelt is formed by a vapor-solid (VS) growth mechanism first, then the nanowires on one side are grown by a self-cataly growth parallel to the (0001) polar surface. Photoluminescence (PL) spectrum shows two typical emission peaks at 390 nm and at 495 nm were obse
11、rved, which were assigned to UV emission and green emission, respectively. The micro morphology ，the phase composition and crystal structure of as prepared samples were analyzed by field emission scanning electron microscopy (FSEM)and energy dispersion spectroscopy (EDS). The result shows that Mg ha
12、s influence on the morphology of ZnO nanostructures which may results from c-axis preferred growth, Mg can be doped into ZnO crystal latic. Different PL spectra are observed for MgxZn1-x0 nanostructures when excited by different wavelengths with the Xe lamp at RT. The wavelengths of the PL peaks are
13、 related to the 湘潭大学硕士毕业论文 III excitation wavelength. The stronger peak is obtained in the blue band, while the weaker peak is obtained in the ultraviolet band. With the increase of the Mg contents, it is found that MgxZn1-x0 nanostructures prepared at different temperature show a slender blue shift
14、 of UV emission when the exciting wavelength is identical. Zn0 and MgxZn1-x0 nanostructures show bright excitonic luminescence in UV band. The blue and green peaks of one nanostructure depend on its defects. Keywords: ZnO, MgxZn1-xO, structure and surface topography, growth mechanism, Photoluminesce
15、nce (PL) 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湘潭大学可以将本学
16、位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 概述 随着信息技术的飞速发展， 以微电子和光电子为基础的通信和网络技术已成为高新 技术的核心，信息技术的发展将从电子时代迈向光子时代。半导体激光器、激光二极管 (LED)和光电探测器等光电器件在军事和民用力一面都显示出了巨大的应用价值和强健 的市场需求。半导体激光器作为信息技术的关键部件使得光纤通信得以普及，使得以光 盘为主的信息存储技术和复印技术不断更新换代。对于光盘存储技术，光盘的信息存储 密度反比于其核心部件一激光器激光束的聚焦直径， 而在聚焦能力相同的情况下该直径 又正比于激光器的波长。 因此， 为提高信息的存储密度， 应尽可能使用短波
