溫度對ZnO半導體納米線制備的影響

摘要:在鍍金Si襯底上制備一維ZnO半導體納米線，其制備方法采用了傳統的物理氣相沉積技術。制備出的納米線的晶態結構以及形貌利用SEM、PL等技術進行分析。結果表明，溫度對ZnO半導體納米線的形貌有一定影響。

關鍵詞:半導體;納米線;掃描電子顯微鏡(SEM);PL

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)13-0341-01

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導體材料，ZnO材料具有很多的優點。例如激子增益更高、具有更高激子束縛能、成本低、后繼加工工藝方便等。在某些應用領域顯示出比其他Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導體材料更大的發展潛力。ZnO材料在0.4-2μm的波長范圍內透明，可提供將調制器、光波導、濾波器、光源、探測器及相關電路等進行單片集成的途徑，因而ZnO又是光電集成器件研究中最具潛力的材料。ZnO材料所制備的這些器件在民用及軍事領域有很廣泛的應用，如高速光纖通訊的波分復用、反雷達動態測頻、光纖相位調制、衛星移動通信電子偵聽和光信息處理等。

本文章闡述了采用物理氣相沉積技術以ZnO粉和石墨為原料，在鍍金Si襯底上不同溫度下制備的ZnO納米結構具有不同的形貌。

1 實驗裝置和過程

1.1 實驗裝置

1.水平管式電阻爐 2.石英管 3.反應源 4.鍍金Si襯底

圖1為實驗中用的ZnO納米結構制備系統的示意圖。石英舟上的反應源為純度99.9%的ZnO粉和C粉(6:1)。實驗過程中同時通入高純O2氣與高純Ar氣。放于源材料下方位置為鍍金Si襯底。為除去Si襯底表面的一些污染物，先將襯底放入超聲波清洗儀清洗3分鐘，再用NH4OH:H2O2:H2O(1:2:5)混合液浸泡6分鐘，再放入超聲波清洗儀處理5分鐘，烘干后進行鍍膜。

1.2 實驗過程

本實驗將純度99.9%的ZnO粉和C粉混合物，放于爐內的石英管溫度最高的中部的Al2O3的舟內。整個實驗系統為真空環境，本底真空度為1.56Pa。Si襯底為鍍有約1nmAu膜的Si片，放于源材料下方位置。實驗中，反應爐內溫度升至一定溫度，實驗環境為氧氣和氬氣的混合氣體，氣體流量為30sccm，維持50分鐘后，在常壓下緩慢降溫致室溫。

2 不同溫度對ZnO納米線的影響

圖2為反應溫度不同時，所制備出的ZnO納米線形貌照片。a圖是反應溫度為300℃

a.反應溫度為300℃ b.反應溫度為400℃ c.反應溫度為500℃

時樣品的SEM像，從圖中可以看出，樣品主要為稀疏的垂直性較好的一維納米線，成核點相當清晰。b圖和c圖是反應溫度為400℃和500℃制備樣品的形貌，很明顯與a圖相比，隨著溫度的升高，線狀結構密度逐漸增大，排列不整齊，這表明溫度對ZnO半導體納米線的生長有比較重要的影響，溫度增加會導致線狀結構密度增加。

圖3是所制備的垂直性較好的ZnO半導體納米線XRD分析結果。從圖中可以看出，左邊的峰為ZnO的(110)面的衍射峰，中間的峰為ZnO的(102)面的衍射峰，最右邊的峰為Si襯底的衍射峰。圖中沒有其它物質的衍射峰出現，這說明樣品中無其它雜質存在。圖形底部不平坦，有連續變化部分，這說明樣品中包含有非晶成分。但是ZnO的(110)和(102)兩個峰很明顯，說明制備的的半導體納米線呈現晶態結構。

圖4是所制備的垂直性較好的ZnO納米線的PL譜，激發波長為280nm。所制備的PL譜中主要主要有三個發光帶。左邊的峰是波長為373nm的紫外帶，中間的峰是波長為417nm的藍帶，右邊的峰是波長為536nm的綠帶。這三個發光帶中紫外峰較尖銳，位置為373nm，此發光帶為ZnO的本征發射。藍帶和綠帶的峰值較弱不太明顯，它們來源于所制備的結構缺陷的發光。這說明所制備的ZnO半導體納米線中存在較少的結構缺陷。

3 結論

綜上所述，采用傳統的物理氣相沉積技術在鍍金Si襯底上制備了ZnO半導體納米線，溫度對所制備的ZnO半導體納米線的結構和形貌有一定影響。反應溫度為300℃時樣品為稀疏的垂直性較好的一維ZnO半導體納米線，成核點相當清晰。其XRD和PL譜說明所制備的樣品中晶態結構較好且存在較少結構缺陷。

參考文獻

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