bi催化生长、掺杂和修饰zno纳米线的制备与光学性质分析

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1、华中科技大学硕士学位论文ZnO是一种宽禁带直接带隙Ⅱ-Ⅵ半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37ev，相比其它传统半导体材料如Si、GaAs、GaN等，有以下三大优点：较高的激子束缚能；较大的击穿强度和饱和电子迁移率；较强的抗辐射损伤能力。1.3.2ZnO纳米材料的制备ZnO纳米材料的制备方法非常多，按照材料的制备环境是在气体中还是液体中，一般可以分为气相法和液相法两大类。以下是几种目前主要应用的制备方法：（1）热蒸发合成法热蒸发合成法是目前较为常用的一种材料生长的方法。采用这种方法，如图1-2[6]所示目前已成功制备了具有各种形貌特

2、征的ZnO纳米线和纳米带等材料。图1-2各种形貌特征的ZnO纳米材料这种方法通常是在高温区，利用高温加热使原材料温度上升而升华为蒸汽，同时通入一定量的载气，利用载气把蒸汽吹到温度较低的冷端，随后气相物质在特定的温度区沉积下来并催化剂的作用下成核长大，从而得到各种ZnO纳米结构。实验中的原料配比、目标温度、收集区域、催化剂种类、压强大小和载气流量均会对ZnO纳2华中科技大学硕士学位论文米材料的形貌和结构产生影响。（2）金属有机物化学气相沉积法用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）技术，生长纳米材料，一个比较显著的优点是可以通过这种

3、技术实现一维材料的阵列化。通过选择合适的催化剂和衬底材料，以及合适的载气流量和气压等条件，可以让一维纳米材料垂直于衬底生长以实现材料的阵列化，从而为以后纳米器件的开发和应用打下良好的基础。但由于仪器价格昂贵，因此一定程度上现在了这种方法的推广和发展。（3）模板辅助生长法模板辅助生长法的主要原理，是利用有中空通道的模板来限制材料的生长方向，这些通道整齐排布方向一致，从而让材料沿着所需要的方向生长。由于模板法具有材料普遍、制作方法简单、材料生长有序等特点，因此在过去的10年中，模板辅助生长法被广泛的用来制备一维纳米材料，但生长好后的纳米

4、材料与模板的分离相对麻烦，限制了纳米器件的后续开发和使用。（4）水热合成法水热合成法是液相法中使用最普遍的一种，它利用水溶液作反应体系，在特制的密封反应器，如高压釜中进行化学反应，对反应体系加热到或接近于其临界温度，使反应容器中产生高压，从而进行无机材料的合成与制备1.3.3ZnO纳米材料的掺杂ZnO半导体材料的一个优点就是可控掺杂，掺杂可以改变ZnO半导体在电学、光学、磁学等方面的多种性能。只有掺杂过的ZnO半导体，才能在IC工业中得到有效应用，才可以用于制备各种器件，所以纳米ZnO材料的掺杂方法和工艺也越来越受到人们的关注。按照

5、物质的初始状态，ZnO掺杂的制备方法可分为固相法和气相法两类。固相法以固态的ZnO粉末为原料，首先通过一定方法，把需要掺杂金属分散在ZnO粉末当中，然后进行高温煅烧，并通入还原性气体，煅烧结束后可以得到掺杂的ZnO纳米粉体。固相法流程简单适，用于工业化生产中，但无法保证掺杂物质在ZnO粉体中分散均匀。因此，目前固相法作为科研手段已很少采用。另外一种方法是气相法，3华中科技大学硕士学位论文气相法在掺杂ZnO纳米材料的制备中占有非常重要的地位。这种方法原料可循环使用，降低了成本，所得产品颗粒均匀、纯度较高。应用于众多工业领域。ZnO、B

6、i2O3的禁带宽度分别为3.37eV、2.85eV，两者相差不大，在合成ZnO纳米材料过程中掺入Bi元素，形成Zn1-xBixO，可以调整ZnO禁带宽度，进一步改变材料在光学、电学以及热学等反面的多种性能。Karthikeyan等通过水热法在室温下制备了Bi掺杂的ZnO纳米颗粒，如图1-3所示。并对掺杂后纳米材料的线性和非线性光学特性。测试表明，当纳米材料内的激子状态处于n=1和n=2时，分别对应材料光吸收谱的272nm和368nm光吸收峰值，他们认为：[7]Bi掺杂ZnO纳米颗粒出现非线性现象，是由于三光子吸收过程引起的。图1-3

7、Bi掺杂ZnO纳米颗粒Jiang等通过磁控溅射的方法成功制备了Bi掺杂的ZnO薄膜，ZnO生长取向为100方向，通过光吸收谱进一步确认了掺杂情况，并计算出掺杂后的材料能带间隙为[8]3.13eV。Xu等通过化学气相沉积法制备了Bi掺杂ZnO纳米线，发现通过掺杂改变了纳米8−12线中的载流子浓度（3.5×10cm）以及电子移动效率（1.5cm/Vs）.利用载流子浓度提升制作了FET场效应晶体管如图1-4所示。并对掺杂后的材料进行了光学测试，[9]发现了光谱的红移现象。4华中科技大学硕士学位论文漏极源极二氧化硅硅衬底图1-4Bi掺杂Zn

8、O纳米线的FET晶体管1.3.4ZnO纳米材料的修饰表面修饰对改善纳米ZnO的性能起到很大的作用。它能改善或改变纳米微粒的分散性；提高微粒表面活性，使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；在纳米ZnO表面形成聚合物层，提高纳