温度对ZnO半导体纳米线制备的影响

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摘要:在镀金Si衬底上制备一维ZnO半导体纳米线,其制备方法采用了传统的物理气相沉积技术。制备出的纳米线的晶态结构以及形貌利用SEM、PL等技术进行分析。结果表明,温度对zno半导体纳米线的形貌有一定影响。

关键词:半导体;纳米线;扫描电子显微镜(SEM);PL

中图分类号:TB

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)13-0341-01

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料,ZnO材料具有很多的优点。例如激子增益更高、具有更高激子束缚能、成本低、后继加工工艺方便等。在某些应用领域显示出比其他Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料更大的发展潜力。ZnO材料在0.4-2μm的波长范围内透明,可提供将调制器、光波导、滤波器、光源、探测器及相关电路等进行单片集成的途径,因而ZnO又是光电集成器件研究中最具潜力的材料。ZnO材料所制备的这些器件在民用及军事领域有很广泛的应用,如高速光纤通讯的波分复用、反雷达动态测频、光纤相位调制、卫星移动通信电子侦听和光信息处理等。

本文章阐述了采用物理气相沉积技术以ZnO粉和石墨为原料,在镀金Si衬底上不同温度下制备的ZnO纳米结构具有不同的形貌。

1 实验装置和过程

1.1 实验装置

1.水平管式电阻炉 2.石英管 3.反应源 4.镀金Si衬底

图1为实验中用的ZnO纳米结构制备系统的示意图。石英舟上的反应源为纯度99.9%的ZnO粉和C粉(6:1)。实验过程中同时通入高纯O2气与高纯Ar气。放于源材料下方位置为镀金Si衬底。为除去Si衬底表面的一些污染物,先将衬底放入超声波清洗仪清洗3分钟,再用NH4OH:H2O2:H2O(1:2:5)混合液浸泡6分钟,再放入超声波清洗仪处理5分钟,烘干后进行镀膜。

1.2 实验过程

本实验将纯度99.9%的ZnO粉和C粉混合物,放于炉内的石英管温度最高的中部的Al2O3的舟内。整个实验系统为真空环境,本底真空度为1.56Pa。Si衬底为镀有约1nmAu膜的Si片,放于源材料下方位置。实验中,反应炉内温度升至一定温度,实验环境为氧气和氩气的混合气体,气体流量为30sccm,维持50分钟后,在常压下缓慢降温致室温。

2 不同温度对ZnO纳米线的影响

图2为反应温度不同时,所制备出的ZnO纳米线形貌照片。a图是反应温度为300℃

a.反应温度为300℃ b.反应温度为400℃ c.反应温度为500℃

时样品的SEM像,从图中可以看出,样品主要为稀疏的垂直性较好的一维纳米线,成核点相当清晰。b图和c图是反应温度为400℃和500℃制备样品的形貌,很明显与a图相比,随着温度的升高,线状结构密度逐渐增大,排列不整齐,这表明温度对ZnO半导体纳米线的生长有比较重要的影响,温度增加会导致线状结构密度增加。

图3是所制备的垂直性较好的ZnO半导体纳米线XRD分析结果。从图中可以看出,左边的峰为ZnO的(110)面的衍射峰,中间的峰为ZnO的(102)面的衍射峰,最右边的峰为Si衬底的衍射峰。图中没有其它物质的衍射峰出现,这说明样品中无其它杂质存在。图形底部不平坦,有连续变化部分,这说明样品中包含有非晶成分。但是ZnO的(110)和(102)两个峰很明显,说明制备的的半导体纳米线呈现晶态结构。

图4是所制备的垂直性较好的ZnO纳米线的PL谱,激发波长为280nm。所制备的PL谱中主要主要有三个发光带。左边的峰是波长为373nm的紫外带,中间的峰是波长为417nm的蓝带,右边的峰是波长为536nm的绿带。这三个发光带中紫外峰较尖锐,位置为373nm,此发光带为ZnO的本征发射。蓝带和绿带的峰值较弱不太明显,它们来源于所制备的结构缺陷的发光。这说明所制备的ZnO半导体纳米线中存在较少的结构缺陷。

3 结论

综上所述,采用传统的物理气相沉积技术在镀金Si衬底上制备了ZnO半导体纳米线,温度对所制备的ZnO半导体纳米线的结构和形貌有一定影响。反应温度为300℃时样品为稀疏的垂直性较好的一维ZnO半导体纳米线,成核点相当清晰。其XRD和PL谱说明所制备的样品中晶态结构较好且存在较少结构缺陷。

参考文献

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