氧化鋅二維晶體的製備及光電特性研究

《氧化鋅二維晶體的製備及光電特性研究》是依託武漢大學，由方國家擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氧化鋅二維晶體的製備及光電特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：方國家
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

厚度只有幾個到幾十個原子層的超薄二維層狀(2D)納米材料具有大的比表面積、小尺寸效應、特殊表面效應和高電子遷移率特性, 在光、電、自旋電子學等領域具有重要套用價值。ZnO作為一種廣泛研究的材料，有豐富的納米結構形態和特殊的物理性能。如能將2D結構與ZnO的優勢相結合，會大幅提升ZnO器件的質量，推進其實際套用。非極性且具有類石墨層狀結構2D ZnO晶體的可控制備、物理特性和器件級套用鮮有涉及。本課題擬採用脈衝雷射沉積薄膜、再高溫物理氣相反應還原與快速冷卻工藝相結合研製層狀2D結構ZnO晶體。研究其材料結構和生長機理。利用其小尺寸量子效應和2D超薄材料表面的特殊效應、二維層狀晶體的高載流子遷移率特性和量子輸運特性研製高質量的紫外光電探測器和場效應電晶體。找出工藝參數對器件光電特性和電輸運特性的影響機制，提出進一步提高器件性能的措施。為二維ZnO晶體材料在微納光電子器件方面的套用打下基礎。

結題摘要

氧化鋅(ZnO)為直接帶隙寬禁帶半導體材料，室溫下禁頻寬度為 3.37 eV，其激子束縛能高達 60 meV。特別是 ZnO 包含豐富的納米結構形態（如納米桿、納米線、納米花、納米梳等），在發光、光敏、場效應電晶體等器件領域有重要的套用前景。本課題組通過脈衝雷射沉積、化學氣相沉積和水熱法探索了ZnO的生長機制，及其再發光器件、光敏探測、場效應電晶體方面的套用。同時，探索了ZnO在以上套用領域的工作機制。基於脈衝雷射沉積的方法，本課題組在非極性襯底上，生長出了結晶性良好的ZnO單晶薄膜。同時，通過改變脈衝雷射的能量和頻率、生長的溫度和氣壓，可以得到單晶ZnO納米片和多晶ZnO團聚體。 我們探索了具體生長ZnO單晶納米片的合適條件，在氟金雲母，石墨以及h-BN等層狀范德瓦爾斯襯底上製備出了ZnO單晶納米片並進行了相關生長機理的探究。發現高真空生長有利於ZnO納米片的結晶及減少缺陷發光，這可能來源於高真空環境大的自由程，生長過程中能量損失少，更有利於材料的結晶。且ZnO在這些襯底材料上生長均沿著特定的外延生長規則進行生長，基本不受晶格失配的限制，也從一個側面說明ZnO的生長是范德瓦爾斯外延生長。並且利用脈衝雷射輔助的特點，我們可以做到厚度可控的生長，這為下一步可控生長二維材料打下一個基礎。我們做到了最薄至2 nm的準二維ZnO晶體，其光致發光收到自身限域效應的影響，發光峰位已由377 nm藍移至366 nm，說明禁頻寬度有所擴大。藉助二維材料的轉移方法，我們採用所製得的ZnO單晶納米片做了多種光電及電子器件，如自驅動光電探測器，光電二極體以及場效應電晶體。同時，我們還嘗試了其他的方案，如水熱法生長二維ZnO晶體，利用氟化銨鈍化ZnO c面的生長來製備二維ZnO晶體。但是此方案沒有達到預期的一個減薄的厚度。我們得到了片狀的ZnO晶體，並將其套用於光敏探測。同樣，基於ZnO材料的套用，我們在溶液法，磁控濺射方案以及CVD方案也進行了一些嘗試並取得了一些成果。如在發光器件的套用中，我們提出插入層來平衡電子空穴的注入，ZnO量子點有源層，以及用氧化物鈍化ZnO的表面缺陷。在探測器方面，我們引入Te摻雜，研究Te對ZnO生長形貌的影響。在場發射器件發麵，我們通過石墨烯增強ZnO納米桿，顯著增強了場發射因子。在薄膜電晶體方面，我們通過In摻雜實現了In摻雜的ZnO納米桿場效應電晶體。