基于準一維CdS納米結構的合成及應用

蔡家駿，江鵬

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥230009)

近年來，準一維半導體納米結構，如納米線(Nanowires)、納米帶(Nanobelts)和納米管(Nanotubes)等控制合成與光電子器件應用引起了人們的關注。其具有單晶的晶體質量，優良的光電特性，既可用于研究低維尺度下基本的物理過程，又可作為組件構筑高性能納米光電子器件。對它們的研究，有望突破器件小型化的限制，在后摩爾定律時代獲得重要應用，并得到新一代納米光電器件，對科技的發展產生深遠影響。

CdS是一種重要的II－VI族半導體材料，其室溫禁帶寬度為2.42 eV［1］，CdS薄膜與體材料已廣泛應用于可見光探測、光伏等重要領域。CdS納米結構具有許多優秀的性質，如隨尺寸可調的發光波長、室溫激光發射、高增益光電探測等。因此，CdS納米結構的控制合成及其在光電子器件應用的研究已成為納米材料領域的研究熱點之一。基于一維CdS納米結構制作出了一系列的納米器件如金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)，金屬半導體場效應晶體管(MESFETs)，邏輯電路(Logic Circuits)，光電開關(Photoelectric Switch)，傳感器(Sensor)及發光二極管(LED)等［2］。

1 一維CdS納米結構的合成

1.1 納米線

氣相合成方法(Vapor－Phase Synthesis)是合成納米線的普遍方法。在氣相合成中可以通過對若干實驗參數的適當調節來控制合成納米線的長度、粗細和質量。Wu C Y等人采用熱蒸發的方法［3－4］，在850℃、39.9 kPa及鍍金硅片作為基底等條件下合成出高質量的CdS納米線，其直徑在50～200 nm之間，長度為幾十μm，如圖1所示。

圖1 CdS納米線的SEM圖

1.2 納米管

模板法是合成一維納米管的一種重要方法。該方法利用礬土和聚碳酸脂的多孔薄膜，通過退火等工藝將前驅物沉積在孔里，從而制備出相應的納米管。Shen X P等人［5］用此方法合成出CdS納米管，圖2(a)是CdS納米管的俯視圖，能看到納米管的外部半徑大約為80～150 nm。圖2(b)是納米管的拉曼光譜，其顯示出與CdS體結構相同的晶體結構。

圖2 合成的CdS納米管圖

1.3 納米帶

不同于納米線，納米帶的截面是長方形的，其具有明確的幾何形態和高質量的晶體結構。Zhang J等人［6］在850℃溫度下，用氣相輸運法合成CdS納米帶，納米帶的寬度為幾十μm，厚度為幾百nm。圖3(b)顯示了CdS納米帶的拉曼光譜，圖中明顯出現了CdS的兩個特征峰。

圖3 CdS納米帶拉曼光譜圖

1.4 納米棒陣列

納米結構陣列的生長對于制備高性能納米器件非常重要。Chen F等使用水熱法合成出CdS納米棒陣列(Nanorods)［7－8］，其使用的溶液組成是1 mmol的Cd(NO3)2·4H2O、3 mmol硫脲和0.6 mmol谷胱甘肽。該方法將刻蝕過的ITO玻璃放在高壓消毒蒸鍋的底部，封閉保溫200℃，并持續3.5 h。沉積結束，使用純凈水清洗且使其自然干燥。圖4(a)顯示的是CdS陣列的截面SEM圖，從圖中可看出，合成納米棒的形貌比較均勻，直徑100 nm左右，長度在300～400 nm。圖4(b)是CdS的XRD圖譜，除了一些ITO的峰位外，其它峰位均顯示了CdS納米棒是纖維鋅礦結構。

圖4 CdS的XRD圖譜

2 一維CdS納米結構的應用

2.1 場效應晶體管(FETs)

2.1.1 金屬氧化物半導體場效應晶體管

一維納米結構可用來制備場效應管，這些場效應管是制備電子器件的基本元件。Wu D等人［9］制備出基于CdS∶P納米帶的頂柵MOSFETs，如圖5所示。制備過程如下，首先將納米帶分散在溶劑中，然后將其轉移到SiO2/Si基底上，SiO2層下的底部基底采用的是重摻雜的p+－Si，重摻雜的p型Si是用來制備底部柵極。隨后，使用光刻法和熱蒸發法制備金屬源漏電極，其中電極材料為金屬銦(In)，In電極能與CdS納米帶形成較好的歐姆接觸。隨后采用光刻法和電子束制備出柵極絕緣層和金屬頂柵，從而制備出金屬氧化物場效應管(MOSFETs)，其中柵極絕緣層使用的是高電介質材料氧化鉿(HfO2)。并將頂柵和底柵結構作對比。相比于底柵器件，帶有高電介質層的頂柵MOSFETs性能明顯提高，其工作電壓從±25 V降到±5 V，亞閾值擺幅從＞25 V(dec)降到200 mV(dec)，跨導從7.3 nS升到0.87 μS，且開關比從10上升到107。

圖5 CdS納米帶FET結構示意圖

圖5所示為基于CdS納米帶FET底柵圖5(a)和頂柵圖5(b)的結構示意圖，圖5(c)頂柵結構的SEM圖，圖5(d)頂柵MOSFET的輸出特性曲線，圖5(e)頂柵MOSFET的轉移特性曲線。2.1.2金屬半導體場效應晶體管

金屬半導體場效應管(MESFETs)是另一種重要的場效應管(FET)。不同于MOSFETs，MESFET的漏源電流是由肖特基柵控制。MESFET的性能是由半導體肖特基和歐姆接觸的質量決定。Dai L等［10］制作出的基于單根CdS納米帶MESFETs，如圖6所示。此CdS納米帶MESFETs顯示出n型溝道特性:低閾值電壓，高跨導低亞閾值擺幅和高電流開關比。

圖6 單根CdS納米帶MESFETs

圖6(a)為單根CdS納米帶MESFET的SEM圖，圖6(b)是MESFET在不同柵壓下的輸出特性曲線。

2.1.3 邏輯電路

場效應晶體管的電學開關功能是組成多功能電路的基礎，很多器件是利用肖特基結構的基于單根CdS納米線高性能MESFETs，Ma R M等人［11］利用基于CdS納米帶的兩個MESFETs成功制備了納米邏輯“非”門電路。CdS納米帶反相器具有很高的電學性能，電流開關比為107，較低的開啟電壓和亞閾值擺幅。

圖7 納米反相器圖

圖7所示，圖7(a)和圖7(b)為納米反相器示意圖，圖7(c)為納米反相器的傳輸特性，圖7(d)為反相器的增益。

2.2 光電探測

Jie J S等［12］對基于單根CdS納米帶的納米光電探測器(Photodetectors)進行了研究，其器件結構和電學特性如圖8所示，圖8(a)是基于硫CdS單根納米帶的光電探測器件的光譜響應，插圖分別是器件掃描電鏡圖片和測試示意圖，圖8(b)為光譜響應圖和PL譜以及吸收譜的對比。通過對光譜響應、光強響應和時間響應得電學參數分析發現，CdS納米帶光電探測器件比基于硫化鎘薄膜和體材料的光電探測器件有更快的響應速度、更高的靈敏度。該研究還表明納米帶的尺寸對響應速度有很大的影響，尺寸越小的納米帶響應速度更快。

圖8 器件結構和電學特性圖

2.3 發光二極管(LEDs)

Lieber等［13］制備出基于n－CdS納米線及p－Si基底形成異質p－n結，在一定偏壓下能觀察發光現象，如圖9所示。該器件在頂部和底部沉積了Al2O3薄膜層，使得電流能夠通過p－Si/n－CdS二極管，如圖9(a)所示。圖9(b)顯示此器件在較低的偏壓下，外露的納米線末端就能產生電致發光。

圖9 CdS納米線發光器發光現象

如圖9(a)為基于CdS納米線的發光器件示意圖，襯底采用重摻雜的p+－Si，圖9(b)是發光器件的發光對比圖。

3 小結及發展前景

準一維CdS納米結構的合成方法多種多樣，合成出的具體形貌也千差萬別，有納米線，納米帶，納米管及納米棒等，且各種合成方法有其優缺點。但根據具體的需求和條件，通過對各種具體參數的調節，可以合成出需要的CdS納米結構。并且可以通過高質量的準一維CdS納米結構制備出高性能器件，基于其的多種場效應管，發光器件和光電傳感器都已經被制備出來。

但是，一維CdS納米結構的合成和器件制備大多還處在實驗階段，若實現大規模工業生產，還有很多工作要做。同時因其具有獨特的光電化學性能，廣泛應用于光化學電池和儲能器件，在光致發光、電致發光、傳感器、光催化等許多領域有著廣泛應用，隨著各種問題的深入研究和對困難的克服，相信準一維納米CdS結構會有更廣泛的應用。

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