寬禁帶半導體ZnO、GaN及其相關材料的微結構調控與性能研究.pdf

1、材料科學的發(fā)展是人類文明發(fā)展的標志，從人類誕生到現在先后經歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代，而現在人們進入了以半導體材料為基礎的電子信息時代。隨著科學技術的飛速發(fā)展和人類文明的不斷進步，人們對材料應用與需求標準越來越高，目前傳統的半導體材料已經漸漸不能滿足人們的需要，探索和研究具有更好性能的新材料成為材料科學發(fā)展的重點。寬禁帶半導體材料是一種具有優(yōu)良性質，能夠應用于制作大功率、高溫、高頻器件，并且能夠實現更高集成度的半導體材料，是人類社

2、會在未來一段時間內最具應用前景和研究意義的材料之一。 而伴隨著上世紀80年代，納米技術與納米材料的出現，人們發(fā)現材料的性能不僅僅取決于材料本身的化學組分，還與其微觀結構與聚集狀態(tài)密切相關。材料的微觀結構及其聚集狀態(tài)又受到材料的制備過程、制備工藝的影響。因此，對材料的生長過程、形貌、結構等宏觀參數進行微結構調控，通過研究這些宏觀參數對材料本身的原子結構、電子分布等微觀參數的影響，從而改進材料的物理性能，對材料科學的發(fā)展以及材料在實

3、際生活中的應用具有及其重要的意義。 在本論文中，我們選取兩種非常重要的寬禁帶半導體材料：ZnO和GaN，作為研究對象。采用化學工程、能帶理論等方法作為研究、制備和設計ZnO和GaN材料的手段。針對目前人們對ZnO和GaN材料制備過程、實際應用中遇到的一些關鍵問題，對制備過程--微觀結構--物理性質之間的關系進行研究，從而實現對材料的微結構和性能的調控，并結合理論計算的研究對實驗過程與結果進行解釋和驗證，探索材料的性能--結構--

4、過程之間的基本規(guī)律，為實現材料的規(guī)?；a提供指導和理論依據。 在第一章中，簡單介紹了半導體材料的分類、幾種重要的物理性質以及影響半導體材料性能的因素。并簡單的介紹了寬禁帶半導體，特別是ZnO和GaN材料的晶體結構、發(fā)展現狀、物理性質及應用情況。 在第二章中，采用水熱法，通過在反應溶液中加入表面活性劑制備了氧化鋅納米棒和FTO導電玻璃襯底上取向排列的ZnO納米棒陣列。通過XRD、SEM、UV-vis分光光度計、PL等對Z

5、nO納米棒及納米棒陣列的形貌、結構、光學性質等進行了表征，并對其發(fā)光機理進行了系統的研究。通過在反應溶液中添加PVA和PEG作為表面活性劑，可以有效抑制ZnO沿（100）和（101）方向的生長，降低ZnO生長過程中出現的團聚現象，并且使ZnO的帶邊發(fā)光峰消失，出現新的紫光發(fā)射峰。通過PVA表面活性劑的添加，氧化鋅納米棒陣列的取向性相對于未添加任何表面活性劑的樣品有了明顯的改善。氧化鋅納米棒陣列的透過率也大幅提高。同添加PVA表面活性劑生

6、長的氧化鋅納米棒一樣，PVA的加入使得原有的氧化鋅帶邊發(fā)射峰消失，而在紫光區(qū)域產生新的發(fā)射峰。為了研究其發(fā)光機理，我們對所生長的氧化鋅納米棒陣列進行了一系列不同氣氛下的退火處理。另外，我們還對氧化鋅納米棒陣列的光催化性能進行了研究。 在第三章中，采用共沉淀法成功制備了氧化鋅/氧化銦納米異質p-n節(jié)光催化材料。通過系統的研究退火溫度、反應物的初始濃度以及Zn/In比例對所制備的樣品的光催化活性的影響，我們得到了制備該體系的最佳條件

7、：Zn/In=1：1，Zn2+的初始濃度為20mM，退火溫度為800℃。通過各種表征手段，對氧化鋅/氧化銦異質結納米材料的結構、形貌、界面結構進行了研究。通過研究該體系不同樣品的光催化效果，并研究造成不同光催化效果的原因，討論了其能帶結構及載流子在光催化反應中的傳輸過程，探索了該體系地光催化機理。最重要的是，通過制備氧化鋅/氧化銦納米異質結光催化材料，成功驗證了異質結或p-n節(jié)對光催化活性的影響，并對今后結合半導體的能帶理論，通過設計能

8、帶結構制備具有特殊用途的可見光響應的高效光催化材料提供了基礎，對光催化材料的發(fā)展具有重要的意義。 在第四章中，采用碳熱法制備了氮化鎵以及氧化鋅/氮化鎵固溶體納米材料。通過改變反應原料中活性炭的比例，制備了一系列不同的樣品，研究了利用碳熱法制備的氮化鎵、氧化鋅/氮化鎵固溶體材料的結構、形貌以及生長過程。在碳熱法制備納米材料的過程中初始原料中C的比例對材料的生長過程以及形貌會產生重要的影響。通過一系列的測試表征對碳熱法制備氮化鎵、氧

9、化鋅/氮化鎵材料的生長機理進行了探究。通過試驗結果分析，我們發(fā)現碳熱法是一種對材料的形貌、結構進行調控的簡單有效的制備方法。但利用碳熱法制備的氮化鎵以及氧化鋅/氮化鎵材料的物理性質以及晶體結構對稱性方面的研究仍需要進一步深入的研究。 在第五章中，采用碳熱還原氨化法制備了Mn/C共摻雜的氮化鎵納米材料。在不同的C/Ga比例情況下制備的Mn/C共摻雜氮化鎵材料具有不同的形貌。通過XPS分析了樣品中Mn和C元素的含量及成鍵狀態(tài)，證明了

10、Mn和C成功摻入了氮化鎵晶格。室溫磁性的研究表明，Mn/C共摻雜的氮化鎵納米材料比單純Mn摻雜的氮化鎵材料的飽和磁化強度高大約40倍，并且樣品的飽和磁化強度隨著C/Ga比例的升高而穩(wěn)步增加。這提供了一種通過調節(jié)初始原料中C/Ga比例，對氮化鎵的形貌及其鐵磁性質進行控制的方法。結合密度泛函理論計算，研究了Mn原子和C原子在氮化鎵晶格內的占據位置，并且討論了Mn/C共摻氮化鎵體系的磁性。計算結果表明Mn和C共同摻入氮化鎵晶格時，Mn優(yōu)先占據

11、Ga的位置，C優(yōu)先占據N的位置，并且當Mn和C共同摻入氮化鎵晶格時，能夠大大提高Mn原子的摻入量。磁性方面，C的共摻雜能大大提高體系的鐵磁性，并有效抑制向反鐵磁態(tài)的轉變。 在第六章中，采用碳熱法制備了Fe、Ni摻雜的氮化鎵納米材料。研究了其不同組分下制備的樣品的結構、形貌以及磁學性質。我們發(fā)現通過改變初始原料中C的比例，樣品的形貌會相應改變。同時，樣品的磁性也會相應的變化。 在第七章，對本論文的工作進行了總結，并對現有研

12、究工作存在的問題進行了分析與討論。同時，針對目前的工作存在的問題，對未來的研究工作進行了規(guī)劃與展望。 總之，半導體材料，特別是寬禁帶半導體材料對人類未來的發(fā)展和科學水平的提高具有非常重要的意義。在本論文中，我們通過研究ZnO和GaN基系列材料制備過程--微觀結構--材料性能之間的關系，實現了對ZnO和GaN基系列材料的微結構與性能的調控，探索了材料制備過程中性能--結構--過程之間的基本規(guī)律，這對于改善和提高ZnO和GaN材料的