ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光

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所属分类:半导体激光器
ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光_经济学_高等教育_教育专区。ZnO纳米线 第二部分表面工程 Part Two Surface Engineering ?103? ZnO纳米线的光
ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光

ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光

  ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光_经济学_高等教育_教育专区。ZnO纳米线

  第二部分表面工程 Part Two Surface Engineering ?103? ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光 吴锦雷孙晖张琦锋 (北京大学电子学系,北京100871) 摘要:随着纳米表面工程的发展,纳米材料的发光问题成为重要的研究课题。ZnO是一种 优良的室温近紫外发光材料,人们用ZnO纳米线阵列构成了光致纳米激光器,激光波长 383 nm,线。同时,人们希望降低ZnO纳米线的发 光激励功率密度阙值,也希望用电来驱动发光。我们通过构建半导体p-n结来降低发光的激 励阈值,本文构建了基于n-ZnO纳米线/p-Si异质结的电致近紫外发光二极管。准阵列的 ZnO纳米线采用水热法生长于重掺杂p型Si片上,纳米线结晶良好,以C轴为优势取向。二 极管的电学接触采用聚合物填充的In阴极或以ITO玻璃紧压形成阴极,它们的1一V特性体现 出良好的二极管性质,在正向偏置电压驱动下,构建的发光二极管可发射波长在387 nm的近 紫外光。 关键词:氧化锌;纳米线;近紫外光;电致发光 Near Ultraviolet Light Emitting of Zn0 Nanowi res Under ElectricaI Excitation and Optically Pumped Lasing of Theirs Wujin Lei Sun Hui Zhangqi Feng (Department of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China) Abstract:The luminescence of nanoscale materials becomes with a a new important project along rise of nano-surface engineering.The ZnO is at an excellent material for a near ultraviolet light emitting room temperature.Under optical excitation with at threshold of 40 an kW/em2, lasing action of ZnO nanowires was observed wavelength of 383 nm with emitting line- width 0.3 nnl.A reducing excitation power density threshold and using electrical drive for light emitting of ZnO nanowires are expected.The semiconductor p-n junction is valuable for that.In this paper,the ultraviolet light emitting diode based on an n-ZnO-nanowire/p-Si on heterojunction strate was fabricated。Quasi—arrays of ZnO nanowires were grown the p-Si sub— using a low temperature hydrothermal method.As-grown ZnO nanowires showed good C erystallinity and preferable axial orientation.Different kinds of cathode(In or ITO)were made to form the electrical contact.The I-V characteristics were diode-like.Under forward bias,the heterojunction diode emitted good near ultraviolet light at 387 nm wavelength. *国家自然科学基金(批准号:50672002,60471007,90406024)资助项目。 第八届全国真空冶金与表面工程学术会议论文集 ?104?Proceedings of the 8“Vacuum Metallurgy and SuKace Engineering Conference Zn0;Nanowlre;Near Ultraviolet Light;Luminescence Under Electrical Excita 2 ZnO纳米线研究了ZnO纳米线的气 随着纳米表面工程的发展,纳米材料 的发光问题成为又一个新的重要研究课 相沉积制备方法并得到了很好的阵列结构。 用于生长ZnO纳米线的气相沉积系统由气 源、温度可控的管式高温电炉(控温精度: ±5℃)、和线 Pa)等三部分组成,其结构如图1所示。 题。纳米发光器件在诸多领域,包括电子 通讯、信息存储、高结合化学/生物学传感 器、近场光学平版印刷、多种显微镜扫描探 针、甚至可能在空前的分辨率下完成激光 外科手术等方面都有很强的应用价值。 ZnO材料以其合适的禁带宽度(常温 下3.37 eV),较高的激子束缚能(60 meV),低廉的价格,优良的抗辐射能力,以 及环保无毒等众多特点,已被人们作为理 想的光电子材料加以研究,它是一种优良 的室温近紫外发光材料。但是由于其块体 材料往往缺陷较多,以及P型掺杂困难等 图1生长ZnO纳米线的气相沉积 .系统结构示意图 Fig.1 The vapor-phase deposition system for fabricating ZnO nanowires 原因,其电致发光方面的研究未能获得突 破。近年来随着纳米技术的发展,多种 ZnO纳米结构陆续被发现,ZnO又成为人 用于光致激光发射的ZnO纳米线采用气 相输运的外延晶体生长过程来制备““。Au 作为纳米线生长的催化剂,为了利于纳米线 的生长,用掩模在清洁的蓝宝石(110)面基底 上蒸涂了一层1~3.5 nIn厚的Au,为了形成 Au模板,使用硫醇微接触印刷术进行选择性 刻蚀。用等量的Zrlo粉末和石墨粉末作为原 们研究的热点n…。其中ZnO纳米线和棒 具有可作为微型法珀腔的平整端面,为构 造ZnO纳米激光器提供了便利条件。在光 激发下纳米线产生激射的现象国际上已经 有所报道口’9]。但是要达到应用目的,纳米 线和棒的电致发光是首先需要研究的课 料,将其转移到氧化铝舟上。涂上了Au层的 蓝宝石基底放在离舟中心0.5--2.5 CTil处,然 后通Ar气流,将原材料和基底加热到880 905℃。用碳热还原浓缩ZnO的方法生成了 Zn蒸汽,然后被输运到生长ZnO纳米线 mln。在蓝宝石基底上 题。在这方面国际上有一些报道[icqz],不 过还存在激励阈值较高等问题。人们希望 通过半导体p-n结降低激励阈值,构建近紫 外发光二极管,并且希望尽量降低缺陷发 光(绿光峰位)。 我们采用水热法在P型Si片上生长 ZnO纳米线准阵列,成功构建了n-ZnO纳米 线/p-Si异质结。分别使用铟(In)电极和透 明导电氧化铟锡(ITO)玻璃作为阴极电极, 成功构造了发光二极管,得到了稳定的具有 一定强度的电致近紫外光发射。 外延生长可以得到纳米线阵列,该阵列与基 底垂直,取向性很好。ZnO纳米线阵列的电 子显微镜图像见图2嗍。从图中可以看到只 有涂有Au的区域才有纳米线的生长,这些纳 米线 nlTl,直径尺寸的不同是因为在生 第二部分表面工程 Part Two Surface Engineering ?105? 长的过程中基底退火使催化剂Au纳米粒子 大小不一致所造成的。纳米线的长度可以 通过调整生长时间使它在2--10 pm之间变 化。模板化的纳米线生长的实现,使得用一 种可控的方式制备纳米尺寸范围内的激光 发射器件成为可能。 应于两个(0002)晶面的距离,而且TEM图 像进一步证实了(0001>方向是ZnO纳米线 ZnO纳米线的光致激光发射 Huang等人获得了ZnO纳米线]。用H叫踟激光(波长325 nm) 作为激励光源,测量到了znO纳米线 nm处有很强的近带隙边 缘发射““。为了从这些定向生长的纳米线 中探测出可能存在的激光发射,改变泵浦功 图2 Fig.2 ZuO纳米线阵列 率去测量发射谱,室温下用Nd:y-Al-石榴 石激光的四倍频(波长266 nm,3 ns的脉冲 The images oI ZnO nanowlre arrays (a)~(e)生长在蓝宝石基底上的ZnO纳米线阵列的 SEM图像;(e)纳米线尖端的六边形平面俯视圉;(f)单 根ZnO纳米线的高分辨TEM图像,显示它是器<0001) 方向生长的 宽度)作为泵浦光源去辐射样品,泵浦光束 在与纳米线的轴向成lo。的角度方向聚焦在 纳米线上。在与纳米线末端平面相垂直的 方向(相对称的轴向)收集发射出来的光,不 因为ZnO纳米线)面和蓝宝石 断改变泵浦光的功率从而发射光谱也不断 变化,在没有利用任何放大装置的情况下, 基底的(110)面之间有着很好的外延生长界 面[”],蓝宝石的(110)面是双对称的,而ZnO 的端面是六边对称的,ZnO纳米线的中心轴 和蓝宝石平面的垂直轴的相关因子可达到 4,且其不匹配度在室温下小于0.08%。除 了这两个方向,其他的方向都非常的不匹 配。由于Zn0沿纳米线中心轴方向有强烈 观察到了znO纳米线(a)和(b)。当泵浦光强度较低时,发射 光潜只有一个较宽的自发发射峰,如图3(a) 中曲线I,其峰的半高宽处的宽度约为17 nm。自发发射所需的能量为140 meV,小于 禁带的宽度3.37 eV,通常,这是因为激发子 和激发子碰撞的过程中,激发子的重组所产 生的,即激发子的重组辐射出来的光 子Em-t9]。随着泵浦光的功率增加,峰会变 生长倾向,而且蓝宝石除了rO001]方向外, 其他方向基本上没有凝聚力,所以沿蓝宝石 [0001]方向匹配一致,使得ZnO晶体生长都 一致的垂直于基底,见图2(a)--(d)。 纳米线末端的六边形平面可以在图 窄,这是因为当频率接近光谱的最大值时的 一种优先放大现象。当激发强度超过激发 阈值(440 kW/cmz)时,发射谱上出现了很 2(e)纳米线阵列俯视的SEM图像中很清楚 的看到,在末端和侧面上观察到了很好的小 平面。当这些纳米线作为有效的激光发射 尖锐的峰,如图3(a)中曲线 nlTl波长处,该峰的线 nnl,比 的媒介时,这些好的小平面起着重要的作 用。ZnO的结构特性也可以用透射电子显 微镜(TEM)图像来观察,图2(f)是单晶ZnO 纳米线高分辨率TEM图像,显示相邻晶格 平面之间的距离为0.256±0.005 nm,它对 低于阈值下自发发射出来的线倍。当超过阈值时,整个发射强度随着泵 浦光的功率增大而迅速的增大,如图3(b)所 示。窄的线宽和发射强度的迅速增大说明 ZnO纳米线出现激光发射,观测到的单个或 第八届全国真空冶金与表面工程学术会议论文集 ?106?Proceedings of the 8“Vacuum Metallurgy and Surface Engineering Conference ‘多个尖锐的峰代表了波长在370~400 nm之 间的不同发射模式。 在没有利用任何放大装置情况下就可 以观测到这种纳米线的激光发射,促使我们 相信这种单晶的、有着很好端平面的纳米线 可以作为自然谐振腔,如图3(c),这种光增 强效应只会在高质量的纳米线晶体中发生, 它使得纳米线阵列产生了激发子的激光发 交界面,而另一端是ZnO纳米晶体非常完 美的(0001)面。考虑到蓝宝石、ZnO和空 气的折射系数分别是1.8、2.45和1,则两 者都可以作为好的激光发射腔的镜面。这 种纳米线中的自然谐振腔或波导的形成意 味着不必用劈开和刻蚀的方法,而用简单 的化学方法就可以形成纳米线激光发射 腔。实际上,在观测到该纳米线的多种激 发发射模式的同时,就可以得出对于5 btm 长的纳米线 nm,它与理 射,而泼纳米线直径的尺度比波尔半径大, 但是小于光波的波长。 论上计算出来的相邻振荡频率的间距Vv— c/2nL数值n钉上很好的吻合,这里V.F是 发射的模式间距,f是光速,n是折射系数, L是谐振腔的长度。 -i d 划 嚷 4 ZnO纳米线的电致发光 室温下ZnO纳米线的近紫外激光发射 的基础研究取得了一些成果,但也还存在问 题,现今仍处于实验室研究阶段的ZnO纳米 线半导体激光器需要运用另外一台强功率 Nd:YAG激光器的四次谐波(波长266 nm, 脉宽3 ns)作为泵浦光源,纳米线激光发射的 j d 功率密度阈值高达40 kW/emz。因此,如何 面 趟 啊 制备高品质的单晶ZnO纳米线阵列并降低 其激光发射的阈值,以及是否可以使用电流 或电场的方法实现ZnO纳米线阵列的激光 发射,是一系列需要深入研究的课题。我们 能量/|11J 『b1 图3 Fig.3 Zno纳米线光致激光发射 通过构建p-n结来降低发光的激励阈值,设 计了基于n-ZnO纳米线/p-Si异质结的电致 近紫外发光二极管。 Lasing action from ZnO nanowires under optical excitation (a)纳米线阵列在低于(曲线T)和高于(曲线II和 右上插图)激光发射闽值时的发射光谱.这些光谱 的泵浦光功率密度分别为20,100和150 kW/ em2}(b)纳米线的整体发射强度,它是泵浦光能量 强度的函数;(c)作为睹振腔室的纳米线示意图, 它有两个自然形成的六边形端面作为反射镜面 对于II-Ⅵ族的半导体,样品被劈开的 边缘通常可以作为镜面‘…“。现在的纳米 线一端是蓝宝石和Zno之问的外延生长的 第二部分表面工程 Part Two Sudace Engineering ?107? 性测量使用Keithley 6487完成,其电致发光 谱由Hitachi F4500光谱仪测量。 ZnO纳米线生长的水热法技术是由 Vayssieres报道的[2“2“,简单易行,适合于 大规模生长。由于si和ZnO品格失配较 大,最早的直接生长方法很难在S1片上得 到高密度的纳米线,也无法得到具有相同 图4 Fig.4 ZnO纳米线发光二极管结构示意图 Schematic diagram of luminescence 取向的纳米线阵列。为解决这一问题,发 展了先布种子后生长的方法;生长种子主 要有Au纳米粒子和ZnO纳米胶粒两 类E26,273。为不引起异质结结构的不确定, 我们采用了ZnO纳米胶粒作为预布的生长 种子。图5(a)是获得的ZnO纳米线准阵列 的扫描电子显微镜(SEM)图像,从图中可 diode of Z110 nanowires under electrical drive (a)经过聚合物填充的In阴极电极结构I (b)以IT(3玻璃紧压形成阴极电极的结构 P型重掺杂的Si(100)面作为生长基底, 其电阻率小于lo-2 n?cm,掺杂浓度在 1018 CITI一3数量级。si片经丙酮超声清洗和 见到生长的ZnO纳米线端面平整,晶体没 有明显缺陷,结晶状况良好。电子能量散 乙醇超声清洗,再经去离子水冲洗,无水乙 醇脱水风干。此后,在Si片上旋涂znO甲 醇胶体溶液,再经150℃烘干10 min,以增强 ZnO胶粒的粘合。Zn0甲醇胶体溶液由 NaOH甲醇溶液和醋酸锌甲醇溶液混合加 热60℃配制EZq。甩布了胶粒的基底用钽丝 倒悬于ZnO生长溶液中,水浴加热至95℃ 生长6 h后取出,以去离子水冲洗去除残余 溶质,无水乙醇脱水风干。ZnO生长溶液以 0.05 射谱和x射线衍射谱表明此法生长的ZnO 纳米线具有明显的e轴优势取向,缺陷较 少,与国际上的报道相一致E25-273。经过旋 涂光刻胶的样品的SEM形貌如图5(b)所 示。可以明显看出,纳米线间的空隙得到 了完全的填充,而纳米线顶端则仅被极薄 的光刻胶层覆盖。 两种结构的发光器件,其电学性质相类 似,基本上为典型的二极管特性。其中以In 作为阴电极的样品初始时电阻很大,表现出 电绝缘性;在10 V左右正向偏置电压下电 M的六水合硝酸锌(Zn(N03)z? 6HzO)水溶液和0.05 M的六亚甲基四胺 (c6H-z N4)等量均匀混合而成。经过对Si 片背面的清理后,真空蒸积Au电极(阳极)。 对于In电极接触的样品,以BP218型光刻 胶为填充物,旋涂在ZnO纳米线准阵列样品 阻不可逆突减,体现出二极管导电特性。这 是由于覆盖在ZnO表面的光刻胶在高场下 产生了导电性质的转变。图6是样品的I-V 特性曲线。从图中可以看出,其正向开启电 压约为2 V;在大于3 V的正向电压下电流 明显增大。根据安德森模型,n-ZnO/p-Si接 上。通过控制其粘度和旋涂转速使得纳米 线问空隙完全填充而ZnO纳米线顶端仅被 极薄的胶层覆盖。在经过150℃坚膜2 h 后,真空蒸积合适厚度(过薄则电极难以连 续,过厚则发光难以透出)的In电极。对于 ITO玻璃为阴极电极的样品,则直接将透明 导电ITO玻璃紧压在ZnO纳米线阵列上完 触为II型异质结口…,在低正向偏置电压下只 有导带电子起传导作用,而ZnO由于并未进 行掺杂,体内载流子电子浓度和迁移率均偏 小,在高正向偏置电压下,空穴也参与导电, 致使电导迅速增大。对于反向电流,并未表 现出明显的截止,应该是由于ZnO和si失 成接触。两种结构的发光二极管结构分别 如图4(a)和(b)所示。发光二极管的电学特 第八届全国真空冶金与表面工程学术会议论文集 -108?Proceedings of the 8“Vacuum Metallurgy and Surface Engineering Conference 配严重,难以形成理想p-n结之故。 这是ZnO纳米线内的近带边激子复合辐射。 绿光部分发光归因于ZnO内O缺位能级造 成的辐射跃迁。电致发光强度随偏置电压 升高而增大,在高一些的电压下能得到较强 的发光,但是要注意器件在过高电压下可能 损毁。 Wavelenglh]nm 图7 ZnO纳米线发光二极管电致发光谱 The luminescence spectra from Fig.7 zno nanowires under electrical drive 图5 Fi岛5 ZnO纳米线准阵列的SEM形貌图像 SEM iHmg目of ZnO na∞而re quas}arrays 5 结论 Huang等人获得了ZnO纳米线的光致 (a)没有旋涂光袭4胶的}(b)旋涂了光曼6胶的 激光发射,激光波长383 nm,线。我们通过构 建半导体p-n结来降低ZnO纳米线发光的 激励阈值,制备了n-ZnO纳米线/p-Si异质 结的近紫外发光二极管,ZnO纳米线 ZnO纳米线发光二极管的I-V特性曲线 采用水热法生长于重掺杂P型Si片上,此法 简易,反应温度低,其产物znO纳米线结晶 良好,以c轴为优势取向。选用了两种不同 的技术构建ZnO纳米线阵列发光二极管:一 种方法以大分子有机聚合材料为填充物,通 过旋涂的方式涂敷在纳米线准阵列上,填充 纳米线问空隙,再通过真空蒸积的方法制备 In作为阴极电极;另一种方法采用透明导电 ITO玻璃为阴极电极,通过紧压的方法形成 The I-V characteristics of luminescence diode of Zn0 nanowires 样品在10~20 V的正向偏置电压下可 产生稳定发光。其可见光部分在暗室中肉 眼可见。图7为典型的电致发光谱图,它由 两部分光组成:一为中心波长在387 Elm的 强度较大的近紫外光尖峰,其半高宽约在35 nm左右;另一部分为中心波长约在535 nm 左右的强度较弱的绿光带,其范围较大,半 高宽约在100 nm左右。与ZnO纳米线的光 致发光谱相比,其紫外光峰位置基本一致, 电接触。两种结构的I—v特性曲线都能体现 出较理想的二极管响应特性。在约 10~20 V的正向偏置电压驱动下,我们观察 到了稳定的电致光发射。其电致发光光谱 第二部分表面工程 ‘Part Two Sm'face Engineering ?109? 可分为两部分,中心波长在387 llm的强度 较大的近紫外光峰和中心波长约530 nm的 强度较弱的绿光带。 参考文献 r1]PeartonS J,NortonDP,IpK.HeoYW.et al,Prng,Mater.ScL,2005.50:293. 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ZnO纳米线的光致激光和电致近紫外发光 作者: 作者单位: 吴锦雷, 孙晖, 张琦锋 北京大学电子学系,北京,100871 相似文献(10条) 1.学位论文 张献祥 钨针尖上氧化锌纳米线的制备和场发射性能研究 2009 氧化锌(ZnO)纳米材料作为一种宽禁带半导体材料,具有场发射材料所需要的许多性质。氧化锌纳米材料已经成为场发射材料的研究热点。虽然有关 氧化锌纳米材料的研究已经很多,但是对几根氧化锌纳米线的研究很少。br 本研究的重点和目的就是研究氧化锌纳米线端口和侧壁场发射特性。为了达到此目的,本实验采用的样品是生长在钨针尖上的氧化锌纳米线。为了制备 适合场发射研究的样品,本研究采用了最简易的生长设备和最常用的制备氧化锌纳米线的方法:直接加热锌粉的方法。br 选取适宜进行氧化锌纳米线场发射性能测试的样品:钨针尖上定向ZnO纳米线和钨针尖上非定向ZnO纳米线。并对这两种样品分别测试ZnO纳米线端口场 发射性能和ZnO纳米线侧壁场发射性能。获得了令人满意地结果:清晰的氧化锌纳米线端口场发射图像(正六边形的环)。这一结果是比较新颖的,目前还 没有类似的文章报道。这一结果同时也说明了氧化锌纳米线)面的场发射来自边和角,电场在端面各处分布不均。对此结果还用 ANSYS对氧化锌纳米线端口电场分布进行模拟。结果显示氧化锌纳米线端口正六边形的角和边处的电场比其他地方大得多。这正就证明了氧化锌纳米线)面的场发射来自边和角,电场在端面各处分布不均。br 重点分析了一下热处理对端口场发射性能的影响。结果发现热处理具有正反两面的作用:使场发射稳定和使场发射性能下降。br 氧化锌纳米线侧壁场发射性能测试结果显示相同电压下侧壁发射性能不如端口发射好。加热处理产生的热量容易使得这些较细的氧化锌纳米线.学位论文 王秀华 硫掺杂氧化锌纳米线 ZnO是一种重要的宽禁带隙(Eg=3.3eV)半导体材料,它的激子束缚能高达60meV。因此,氧化锌材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。近年来 在短波长发光器件、光探测器件以及抗辐射、高频和大功率电子器件方面的发展十分迅速。目前,有关氧化锌研究部分主要集中在低维氧化锌纳米材料 的制备、紫外激光发射和可见发光机制等方面。 首先,本文中我们采用电场辅助电化学沉积法,利用阳极氧化铝模板(AAO),使用0.00166mol/L的Zn(NO3)2,0.0125mol/L NaNO3水溶液制备了高度 择优取向的ZnO单晶纳米线。X射线衍射仪(XRD)、隧道电子显微镜(TEM)、选取电子衍射(SADE)、X射线光电子能谱(XPS)对所得样品的结构、形貌以及化 学组分分析表明,所得纳米线)择优取向的六方纤锌矿结构单晶氧化锌纳米线nm。在PL谱中,除了有典 型的ZnO纳米线强紫外(UV)发光峰和较弱绿光发光峰外,还有在412~430nm处的新的强蓝光发光峰和在464nm处的蓝绿光发光峰。在617nm处还有一尖锐的 、光强较强的红光发光峰。 其次,我们采用相同的制备方法,使用0.00125mol/L的Zn(NO3)2,0.0125mol/L Na2S水溶液制备了高度择优取向的硫掺杂ZnO单晶纳米线。XRD、 TEM、SADE对所得样品的结构、形貌分析表明,所得纳米线S掺杂前后纳米线直径没有明显的变化,约70~120 nm,长度约几到几十个微米;掺杂前纳米 线较光滑,S掺杂后在一些局部区域ZnO纳米线的直径有了一定的增加。XPS对化学组成的分析进一步证实掺杂硫原子的存在。用PL谱对S掺杂前后的ZnO纳 米线进行光学特性测量发现,S掺杂较大地改变了ZnO纳米线的发光性质。除了有典型的ZnO纳米线nm处的强紫外发光峰和在507、533nm处的较 弱绿光发光峰外,还有在406、420、434nm处的新的强蓝光发光峰和在456nm处的蓝绿光发光峰。与ZnO纳米线nm处尖锐的、光强 较强的红光发光峰消失。 最后,研究了ZnO纳米线发光机制及硫掺杂对ZnO纳米线发光性质的影响。对比发现,当S取代ZnO中O的位置,近带边发射(NBE)会产生的蓝移,且光 强增大。深能级发射强度稍有降低。近带边与深能级发射强度之比增大,说明带边本征紫外发射并没有由于硫掺杂而被抑制。 3.期刊论文 陈国炜.朱荣.CHEN Guo-wei.ZHU Rong 基于氧化锌纳米线的硅谐振式加速度计 -光学精密工程 2009,17(6) 设计制作了一种基于氧化锌纳米线的谐振式硅加速度计,该加速度计的敏感单元为由氧化锌纳米线横跨金属微电极组成的谐振器.采用介电电泳的方 法组装了氧化锌纳米线,并利用FIB沉积Pt将氧化锌纳米线固定在微结构上以确保结构的可靠性.在加速度的作用下,质量块引起的惯性力通过支撑梁对纳 米线施加应力,因此,在谐振条件下,纳米线谐振频率的变化反映了加速度的大小.谐振式加速度计的准数字输出能解决多数MEMS器件输出微弱信号检测难 的问题.实验结果表明,加速度计的灵敏度随着纳米线的厚度的减小而急剧增加,选择500 nm厚度的纳米线作为理论分析,加速度计的灵敏度可达2.5 kHz/g以上. 4.学位论文 薛海舟 单根氧化锌纳米线表面与应力效应的阴极荧光谱研究 2009 氧化锌纳米材料具有一系列优越的特性,被广泛应用于纳米器件中。本文针对氧化锌纳米材料发光特性,研究了表面效应对氧化锌缺陷诱导发射 (defects induced emission,DIE)以及应力对氧化锌纳米结构带边(near band edge)发射的影响。本论文具体包括的内容如下: 第一章回顾了纳米科技的发展,对纳米材料的部分特性进行了概括说明。简介了氧化锌纳米材料的优越特性以及应用,扼要说明了本文的选题背景 和研究内容。 第二章概述了本论文涉及的样品制备技术和实验分析方法。简介了制备氧化锌一维纳米结构常用的VPTC法和电化学沉积法。随后列举了一些纳米结 构的转移方法,并简要阐述了软模版转移技术的原理、优点和实际应用。最后对阴极荧光(CL)分析方法的原理、特点和应用进行了较为详细的说明。 第三章系统研究了表面效应在氧化锌DIE发光中的作用。利用纤锌矿氧化锌纳米线的天然六边形截面,通过空间分辨CL谱获得了DIE强度随位置的分 布特性。针对实验曲线出现的双峰结构,在核壳模型的基础上展开定性讨论,随后基于蒙特卡洛模拟得到的能量剂量-深度分布曲线进行了半定量计算。 实验和模型计算结果有力地证明了表面效应在氧化锌纳米线的DIE发光中起支配作用。 第四章研究了氧化锌纳米线中应力对带边发射的影响。利用转移后氧化锌纳米线在衬底上的弯曲,在通过HRTEM表征确定弯曲源于应变的基础上对单 根纳米线不同局部曲率的位置进行空间分辨CL谱采集,得到了带边发射峰随应变量增大而蓝移的结论。通过几何模型估算局部应变量,发现蓝移量与应 变量间存在线性关系,并对此给予了合理的定性解释。 5.学位论文 张利宁 模板法制备氧化锌纳米线 本工作首先制备了优良的多孔氧化铝有序孔洞阵列;以其为模板,采用直流和交流电化学沉积的方法,在其规则排列的孔中沉积得到锌的纳米线 ;然后将其在高温下氧化,得到氧化锌的纳米线。利用X射线衍射光谱、扫描电子显微镜等手段研究了它们的微结构性质。 报告的第一章是前言部分。主要讲述了氧化锌材料的性质、制备方法和多孔氧化铝模板合成纳米材料的研究进展。第二章介绍了多孔氧化铝模板的 制备及其形貌结构表征。采用阳极氧化法分别在草酸、硫酸电解液中制备了多孔氧化铝膜有序孔洞列阵,利用扫描电镜观察了它们的表面和侧面形貌。 交流电化学沉积所用模板的氧化时间为5h。由于用作直流电化学沉积的模板要求具有一定的厚度,方可进行后期操作,所以模板氧化时间均为10h,厚度 可达100μm左右。用在直流电化学沉积中的模板,需要将多孔氧化铝膜从铝基体上剥离下来,去除阻挡层,在一面蒸镀电极,然后用三极直流电镀的方 法进行电化学沉积。 第三章主要讲述了锌和氧化锌纳米线的制备、形貌和结构表征。利用扫描电镜对锌纳米线的表面形貌进行了表征,发现锌纳米线根植于多孔氧化铝 的孔洞中,直径和模板孔径相当。然后将锌纳米线在大气中加热,使其氧化成为氧化锌纳米线。X射线衍射谱测量表明,用电化学沉积方法得到的锌和氧 化锌纳米线均为多晶结构,并且发现随着模板孔径的增大和电沉积时间的延长,锌纳米线的X射线衍射谱强度明显增强。测量了多孔氧化铝厚膜和 Zn/Al2O3组装体的透射光谱,发现后者的透射率大大降低。 第四章介绍了以多孔氧化铝为模板,交流电沉积方法制备锌纳米线的研究结果。交流电沉积无需取膜,阳极氧化后,电解槽中的多孔铝无需取出 ,直接倒入含有金属离子的电解液,进行电化学沉积。扫描电子显微镜观察了纳米线的表面形貌。分析了交流电沉积的机理,讨论了实验过程中尚需解 决的问题。 6.期刊论文 付红志.李焕勇.介万奇.汪晓芹Xiao-qin 硝酸银辅助 的氧化锌纳米线的气相法制备 -人工晶体学报2006,35(3) 以硝酸银作为催化剂前驱物,通过低成本的CVD法,成功合成了氧化锌纳米线.利用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、高性能X射线能谱仪 (EDS)、荧光光谱仪等研究了氧化锌纳米线的形貌、相结构、化学成份和光致发光特性.研究结果表明:所获得的氧化锌纳米线具有六方纤锌矿结构;平均 直径为50nm,长度在3~5μm之间;室温下,氧化锌纳米线除了有明显的紫外发射外,在421nm附近还有紫光发射.整个氧化锌纳米线的生长由气-液-固机制所 控制. 7.学位论文 刘德华 一维氧化锌纳米线的研制、光致发光与场发射特性研究 2005 本文主要研究了一维氧化锌纳米线的制备及其结构、光致发光和电子场发射特性。 作为宽带隙半导体材料,ZnO具有良好的化学稳定性和热稳定性,其优异的发光特性,透明导电特性近年来得到了广泛重视。最近低维纳米氧化锌材 料成为国内外研究的热点。 本文首先介绍了近期国内外ZnO纳米线的制备进展情况。本工作采用制备简单,不需催化剂,生长温度较低的纯锌粉热蒸发法在(100)单晶硅和普通 玻璃衬底上气相生长出一维纳米结构的氧化锌晶体。扫描电镜(SEM)观察发现在不同温度和衬底材料上生长的纳米结构ZnO分别呈现准定向生长的类针状 纳米线、羽毛状纳米结构、定向生长的纳米螺杆、六方状纳米线和纳米带五种不同形貌。X射线衍射(XRD)测试表明所生长的一维纳米结构ZnO都是六方纤 锌矿结构的晶体。定向生长的纳米螺杆呈单晶态、c轴择优取向生长,且具有头部十八面体茎部六面体的结构。此类ZnO纳米螺杆结构还未见报导过。实 验结果表明,生长温度和衬底材料的差异对纳米结构ZnO的形貌特征有很大的影响。本文对氧化锌纳米线的生长机理也进行了分析。 本工作还研究了准定向生长的类针状ZnO纳米线和定向生长的螺杆状ZnO纳米线样品的室温光致发光及电子场发射特性。类针状ZnO纳米线的光致发光 谱显示,在波长为380nm处出现紫外峰及在500nm处出现绿峰,分析认为此二峰应分别属于激子复合发光和导带底到氧反位缺陷能级的跃迁。在螺杆状 ZnO纳米线的光致发光谱中发现,在波长420nm和444nm处出现蓝光发射峰。文中对此蓝光发射的形成机制进行了讨论,根据晶体中的缺陷分析认为这是氧 空位到价带的电子跃迁形成的。电子场发射测试表明,类针状纳米线V/μm,由于其顶端直径较小,获得1mA/cm2发射电流的电场仅为 8.2V/μm;同时在9.0V/μm的电场下,得到了密度达3.6mA/cm2的强发射电流。螺杆状纳米线样品生长的定向性较好,因而场发射开启电压较低,仅为 3.6V/μm;但因其头部直径较大,得到1mA/cm2发射电流密度所需的电场为11.2V/μm,比类针状纳米线样品高。两类ZnO纳米线样品均具有较好的电子场 发射稳定性。研究表明,定向排列良好的顶端直径较小的ZnO纳米线阵列有望成为优良的电子场发射阴极。 8.学位论文 赵文刚 氧化锌纳米线基半导体薄膜的制备及其特性 2007 氧化锌(ZnO)是一种具有六角纤锌矿结构的半导体材料,作为一种具有低介电常数、高化学稳定性以及优异的光电、压电特性的功能材料,ZnO在许 多领域、尤其是光电器件领域有着重要应用。ZnO基半导体光电器件的应用,主要包括紫外探测器、发光二极管(LED)和半导体激光器(SLD)等。由于 ZnO纳米线在半导体能带结构和电子学特性上,与TiO,2相似,预期在染料敏化太阳能电池(DSSC)方面也应该具有较好的应用前景。所以,近期有部分 学者将ZnO纳米线应用于第三代太阳能电池的制作,使得该方面的材料性能与器件结构的研究成为一大热点。 本论文概述了ZnO基半导体材料的性质、特点、制备方法及其性能,重点研究了采用两步湿化学法,在玻璃衬底上制备了ZnO纳米线,主要开展的工 作如下: 第一步,利用sol-gel方法在载玻片上制备含有ZnO纳米颗粒的薄膜,作为“种子”衬底。并对这种“种子”衬底做了原子力显微镜(AFM)分析,结果 表明,这种“种子”衬底薄膜为大范围内均匀一致的ZnO纳米颗粒薄膜。ZnO纳米颗粒尺寸大约是50 nm。均匀一致的“种子”衬底可以起到减小过多的水 热法生长的ZnO纳米线和玻璃衬底之间的晶格失配,有利于ZnO的定向生长。同时也可以使得生长的纳米线的直径分布更窄,更容易得到形貌均匀的纳米 线。第二步,利用水热法在第一步制备好的“种子”衬底上生长了高度取向的ZnO纳米线。然后对纳米线进行了X-光衍射(XRD)、扫描电子形貌图(SEM)表 征,结果表明通过水热法制备的ZnO纳米线是高度取向的,直径分布在50-80nm,平均直径为60 nm,长度大约为2微米。同时对该ZnO纳米线薄膜作了全可 见光范围内的光吸收和透射谱分析,以及光致发光(PL)测量,结果表明该ZnO纳米线薄膜具有很好的透光性质,同时除了具有很强的紫外发光 (399 nm)外,还在蓝光(469 nm)和绿光(569 nm)波段有较弱的光致发光现象。第三步,由于ZnO纳米线的生长受到很多生长条件的影响,例如:“种子”衬底 质量、溶液浓度、生长温度和生长时间等。所以本工作中重点进行了溶液浓度对ZnO纳米线生长结构影响的研究。对于相同的“种子”衬底、同样的水热 生长条件,选取Zn2+浓度不同的溶液,即:0.01M、0.03M和0.05M的Zn2+浓度的生长溶液。然后,采用了X-光衍射(XRD)和扫描电子形貌图(SEM)表 征手段,分别分析了三种不同Zn2+浓度的样品。从SEM图可以看到,对于Zn2+~0.01M的样品,ZnO纳米线 nm:对于 Zn2+~0.03 M样品,ZnO纳米线 nm;而当Zn2+浓度大于0.05 M时,ZnO纳米棒的平均直径大约是250 nm。因此,实验表明,不 同Zn2+浓度的溶液,对生长的ZnO纳米线的直径有直接的影响,随着浓度的增加纳米线的直径会增大,其机理同负离子配位生长基元的理论模型相一 致。即:ZnO纳米晶体的生长速度与溶液的过饱和度有关,过饱和度越小,晶体的生长速度越小。当过饱和度减小时,各个面族的生长速度差别增大,随 着浓度的减小一些晶面生长速度可能会减少或者消失,也就是说晶体只会沿着某一个方向定向生长。 9.学位论文 许朝军 激光辐照对水热法制备氧化锌纳米线 一维ZnO纳米材料是除碳纳米管外最受关注的场发射材料,目前主要有低温液相法和高温气相法可实现材料制备。液相法具有可兼容玻璃和塑料基底 、适合大面积制备、热损耗低的优点。然而,所获得的纳米结构晶化程度较差、电阻率偏高、与衬底间附着不牢固且接触电阻较大,这对其作为冷阴极 材料应用不利。改善上述特性对促进液相水热法制备的ZnO纳米线在场发射器件中的应用至关重要。 本文发展了一种激光辐照处理方法,在N2气氛中,用波长为1064nm的脉冲激光对水热法制备ZnO纳米线进行辐照。对原始生长和经历激光处理两类样 品进行对比实验,测试内容包括单根纳米线电阻、PL谱、XPS能谱、场发射电流—电压特性。结果表明:激光辐照可提高纳米线的结晶度,降低纳米线电 阻,使纳米线与衬底间附着更牢固,进而优化纳米线的场发射性能。对经历不同条件激光辐照的纳米线的场发射特性进行对比研究,表明最佳激光辐照 条件为:电源输出电压200V,激光脉冲宽度2ms。经此条件处理,纳米线MV/m时发射电流密度达 5.292mA/c㎡。认为纳米线电阻的降低是优化场发射性能的主要因素,纳米线体电阻的降低得益于:(i)脉冲激光的快速热退火过程所引起的晶格应力 消除及晶隙势垒的降低;(ii)氮分子可能代替ZnO纳米线中的氧空位形成施主掺杂效应。纳米线与衬底界面接触特性的改善也对场发射性能的优化有贡 献,附着力的改善主要是由热退火过程所产生的衬底与种子层热熔效应引起的。研究结果对促进水热法制备ZnO纳米冷阴极的实用化具有重要意义。 10.会议论文 于伟东.李效民.高相东.边继明.陈同来 ZnO纳米线的催化合成及其光致发光性能 2003 采用气相传输法,以金膜为催化剂,氧化锌和石墨混合粉末为锌源,制备氧化锌纳米材料。研究不同衬底温度下,氧化锌纳米材料的形态,结构和 形成过程。研究获得氧化锌纳米线的光致发光性能。初步探索了氧化锌纳米线的生长机理。实验结果表明,当衬底温度为600℃时,金颗粒的催化性能得 到了较好的发挥,形成长度大于10微米,直径小于80纳米的均匀致密的氧化锌纳米线膜。这种氧化锌纳米线具有紫外发光特性。低于600℃时,锌氧蒸汽 发生了自凝结,进而在金颗粒间隙形成氧化锌带(400℃时)或在金颗粒上吸附聚集形成花状氧化锌纳米棒(200℃)。而在高于600℃时,金颗粒析出的锌迅 速挥发或氧化、长大,出现了稀疏的针状氧化锌和颗粒。氧化锌纳米线可能的生长模式为“底端生长”模式。 本文链接:授权使用:华东理工大学图书馆(hdlgdxtsg),授权号:2783ac59-b52f-475a-8c1a-9e9400ac7c51 下载时间:2011年2月24日