Na掺杂氧化锌一维纳米棒阵列的制备和光电性能研究
[Abstract]:Zn O is a class II-VI semiconductor material with direct band gap and wide band gap. The band gap width is 3.37 e V at room temperature and the exciton binding energy is as high as 60 me V. It shows great potential for applications in ultraviolet, blue, green light emitting diodes, lasers and ultraviolet detectors. In recent years, with the development of material preparation technology and nano-technology, more and more researches on p-type Zn O doping have been carried out. Moreover, theoretical calculation and experimental verification show that both real V-group elements (N, P, As, Sb) and I-group elements (Li, Na, K, Cu, Ag, Au) can be used as acceptor doping elements of p-type Zn O. The preparation and photoelectric properties of one-dimensional Zn O nano-materials and p-type Na-doped Zn O nanorods are mainly studied in this paper, which are divided into seven chapters. In the first chapter, the concept of one-dimensional nano-materials, the basic properties and preparation methods of Zn O nano-materials, and the progress of p-type doping and application of one-dimensional Zn O nano-arrays are introduced. In the second chapter, the synthesis methods and characterization of one-dimensional Zn O nanorod arrays are introduced. In the third chapter, various Zn O nanostructures prepared from different zinc materials are discussed. On this basis, quasi-one-dimensional Zn O nanorod arrays are synthesized by buffer layer technology, and their growth mechanism is analyzed. In the fourth chapter, the enhanced Zn O nanorod field is introduced. Chapters 5 and 6 introduce the preparation and properties of p-type Na-doped Zn O nanorods. Chapter 7 is the conclusion. The main achievements of this paper are as follows: (1) One-dimensional Zn O nanorod arrays were fabricated on Si substrates by chemical vapor deposition (CVD) with the aid of buffer layer technology. The results show that the optimum thickness of buffer layer is about 50 nm. This lays the foundation for the growth of Na-doped Zn O nanorod arrays. According to TEM analysis of cross-section of Zn O nanorods, a transition layer is found between Zn O nanorods and buffer layer. Zn O nanorods grow preferentially along the C axis, so the Zn O nanorods grow approximately perpendicular to the substrate and are arranged in one-dimensional arrays. (2) A scheme to enhance the field emission performance of one-dimensional Zn O nanorods is explored and studied: combining with plasma etching reduction. The top diameter of small nanorods and Al N thin films modified Zn O nanorods can effectively reduce the field emission opening and threshold electric field, and enhance the field emission current density. (3) P-type Na-doped Zn O (p-Zn O:Na) nanorods were successfully prepared by chemical vapor deposition. XRD, XPS and TEM characterization showed that Na-doped Zn O formed NaZn O acceptor. Hall effect measurements show that Zn O nanorods doped with Na between 1.2 at.% and 2.1 at.% are p-type semiconductors with a hole concentration of about 1015 cm-3. Low-temperature photoluminescence spectroscopy and voltammetric properties measurements further prove the p-type conductivity of Na-doped Zn O nanorods. Na-doped Zn O nanorods were annealed in nitrogen atmosphere at a rapid heating rate. The Na-doped Zn O nanorods were heated in oxygen atmosphere because of the formation of NaZn in the activation gap Na, which maximized the hole concentration from 3.4 x 1015 cm-3 to 1.2 x 1016 cm-3. P-type Na-doped Zn O nanorods were prepared by thermal diffusion method. The surface of Zn O nanorods was spin-coated with Na-containing precursor solution and then heat-treated at high temperature. Although photoelectron spectroscopy analysis showed that Na was doped into Zn O nanorods for thermal diffusion at 900 C. The highest content was 0.9 at.%. However, Hall test showed that the sample exhibited weak p-type conductivity with a hole concentration of ~1014 cm-3. (5) The p-Zn O:Na/n-AZO homojunction was prepared and studied based on p-type Na-doped Zn O nanorods. The Hall test of Na-doped Zn O nanorods and the voltammetric properties of the homojunction devices confirmed the Na-doped Zn O nanorods. It is p conductive and the opening voltage is about 0.5 V..
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;TQ132.41
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