（凝聚态物理专业论文）一维zno、sno2纳米结构肖特基势垒的光电输运性质研究.pdf

河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 一维z n o 、s n 0 2 纳米结构肖特基势垒的光电输运性质 研究 中文摘要 纳米材料由于其优异的物理化学性质引起了研究者的广泛注意，制备出的一 维纳米线已经在很多方面显示了广阔的应用前景。因此一维纳米材料的制备及其 性质的研究成为当前一个十分活跃的研究领域。本文采用化学气相沉积的方法制 备出了一维的s n 0 2 和z n o 纳米线，结合电场组装的方法将其组装在p t 电极上并 对其光电输运性质进行了研究。 在第二章中我们采用化学气相沉积的方法制备出了z n o 纳米线，并对其进行 了一系列的表征，然后将纳米线超声分散在无水乙醇溶液中，运用电场组装的方 法将单根z n o 纳米线搭接在n 电极上以便于下一步对单根的z n o 纳米线进行其 他性质的测量与分析。 第三章，我们对上一章中所组装的单根的z n o 纳米线的光电性质进行了测量 和分析，发现z n o 纳米线的i v 特性曲线为非线性非对称的，我们认为这是因 为z n o 纳米线与p t 电极之间形成了两个背靠背的肖特基势垒，且两个势垒的高 度是不同的，由于这两个肖特基势垒的高度不同造成了其i v 曲线的非对称性。 还发现其光电流随着外加反向电压的增大而增大，并且其微分电导也是逐渐增大 的，这是因为z n o 纳米线与p t 电极之间的势垒结构与普通的肖特基势垒结构不同 而造成的。我们知道耗尽层的宽度和几何结构对光电器件的性能影响很大，所以 在本章中我们总结了三种势垒结构模型，( 1 ) 二维平面肖特基结的一维势垒模型； ( 2 ) 纳米线的一维势垒结构模型；( 3 ) 纳米线的二维势垒结构模型：非完全耗尽型 肖特基势垒。结合我们的试验数据发现其结构为一维材料的二维势垒结构模型 z n o 纳米线为非完全耗尽的，并且与以前的文献报道的结果比较吻合。 i 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 在第四章中，我们采用化学气相沉积的方法合成了一维的s n o ：纳米材料， 并对它进行了一系列的表征。然后为了进行下一步的性质测量与研究我们对其进 行了以下的处理：l 、运用电场组装的方法将其搭接在p t 电极上，以便于对单根的 s n 0 2 纳米线进行了横向电学性质的测量。2 、将纳米线超声分散在l t o 上，结合 光诱导扫描探针显微镜研究其纵向电学性质的研究。发现其纵向、横向电学性质 有很大的差异并分析了造成这种差异的原因。 关键词：化学气相沉积、z n o s n 0 2 纳米线、交流电场组装、肖特基势垒 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 s t u d i e so np h o t o e l e c t r i ca n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so f 0 n e d i m e n s i o n a lz n oa n ds n 0 2n a n o s t r u c t u r e s0 n e d l m e n s l o n a lz n ua n ds n u 2n a n 0 s t r u c t u r e s s c h o t t k yb a r r i e r a b s t r a c t n a n o s t 九l c t u r em a t e n a l sa r ea 抽r a c t i n gm o r e 锄dm o r ea t t e n t l o n sf o rl t s u n l q u e p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h eo n e - d i l l l e n s i o n a ln 锄o w i r e s ( n w s ) h a v ea v a r i e t ) ，o fp o t e n t i a l 印p l i c a t i o n sb a s e do nt h e i ru n i q u ep r o p e r t i e s r e c e n t l y ，p r e p a r i n g a n di n v e s t i g a t i n gi t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c si sd r a w i n gm o r e 锄dm o r ea t t e n t i o n s h 1t h i s l e t t e r ，s i n g l es n 0 2o rz n on 觚o w n ( n w ) s ) ，1 1 t h e s i z e db yc h 锄i c a lv a p o rd 印o s i t i o n ( c v d ) w a sa l i g n e do n t op a i r e dn e l e c t r o d e su s i n ga ce l e c 仃i cf i e l d 缎s e m b l y ，a n d “s o p t o e l e c t r i ca n dt r a n s p o np r o p e r t i e sw e r es t u d i e d 1 1 1c h a p t e r 2 ，t h ez n on w sw e r es y l l t h e s i z e db yc v da n dc h a r a c t e r i z e db ys e m ， t e m ，x i t d ，h r t e ma n ds a e d t h e nt h ea s - s y n t h e s i z e dz n os 撇p l e sw e r ep l a c e di n e t h a n o la n du l 仃a s o n i c a t e dt od i s p e r s et h eb l l i l d l e sm o 砌i v i d u a ln w s as i n g l ez n o n ww a sa l i 印e db ya ce l e c 仃i cf i e l da s s e m b l y h 1c h a p t e r3 ，as i n 9 1 ez n on ww a sa s s e m b l e d0 nap a i ro fne l e c 仃o d e sb y d i e l e c t r 叩h o r e s i s ，a n dab a c k t o _ b a c ks c h o 脉yb a r r i e r s ( s b s ) s t n l c n 玳w a sf o m e d 1 1 1 e p h o t o c u 盯e n to ft h ez n on ws c h o t t l ( ) ，p h o t o d i o d e ( s p d ) w a su 1 1 s a m r a t e d ，a n di t s d i f f e r e n t i a l c o n d u c t i v i t ) ，i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fr e v e r s eb i a s ，w h i c hw a s o p p o s i t et ot h es a t u r a t e dp r o p e r t yf o rt w o - d i m e n s i o n a l ( 2 - d ) p l a l l a rs p d i tw a sf o u n d t h a tt h i su n s a t u r a t e dp h o t o c u n e n tp r o p e r t yw a sc o n 仃d 1 1 e db y 廿1 e2 一ds bg e o m e t 猡o f n w ，i nw h i c ht h eb a 州e rw i d t hw a ss m a l l e rt h a nt h ed i 撇e t e ro fn wa i l dm e p h o t o g e n e r a t e de l e c t r o n - h o l ep a i r sw e r es e p a r a t e d a l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o no fn w t h e p h o t o c u l l r e n te q u a t i o nf o rt h i s2 一ds bg e o m e t r ym o d e lw a so b t a i l l ，w h i c hw a si 1 1g o o d a 铲e e m e n tw i t ht h ee x p e r 曲e n t a lr e s u l t s 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 1 1 1 c h a m e r4 ，t h es n 0 2n w ss y n t h e s i z e db yc v dm e t h o dw e r eu l 仃a s o n i c a l l y d i s p e r s e di i l e m a i l o la n dt h e n ：( 1 ) as i n g l en w i s p l a c e d a c r o s st h ep r e f j 如r i c a t e d e l e c 仃o d e su s i n gt h ea cf i e l da s s e m b l y ；( 2 ) t h en w sw e r ed r o p p e do nt 1 1 ei t os u b s n a t e t h e 厶yc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e db ys c a n n i n gp r o b em i c r s c o p e k e yw o r d s ：c h e m i c a lv a p o rd 印o s i t i o n ，z n o s n 0 2 n 孤o w i r e s ，a cf i e l da s s e m b l y ， s c h o t n 哆b a 丌i e r 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢酌地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为荻得任何教育、科研机构的学住或证书而 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学住获得者( 学位论文作者) 签名：丝些 叫? 彬九杉乞 学位论文指导教师签名：! 一 2 0o 8 年7 月 日 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 第一章绪论 1 1 一维纳米材料的制备与电学测量 1 1 1 纳米材料概论 1 9 5 9 年1 2 月2 9 日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德费因曼 ( r i n c h a r df e y n m 锄) ，在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为：底层大有可 为( 1 1 1 e r e sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m ) 的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激 情地说：“当我们深入并游荡在原子的周围，我们是在按不同的定律活动，我们会 遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有 人可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹? ! ”他指出，我们 需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学将变成根据人 们的意愿逐个地准确放置原子的问题。 8 0 年代初发明了纳米科技研究的重要仪器一扫描隧道显微镜( s 刑) 、原子力 显微镜( a f m ) 等微观表征和原子操纵、加工技术，它们对纳米科技的建立起到 了积极的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力， 迅速形成为有广泛学科内容和潜在应用前景的新研究领域。 1 9 9 0 年7 月，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会 议同时在美国巴尔的摩举办，纳米技术与纳米生物学这两种国际性专业期 刊也相继问世。一门崭新的科学技术一一纳米科技从此得到科技界的广泛关注并 标志着纳米科技的诞生。 纳米( 1 蚰) 是一种长度单位，1 舳= 1 0 母m ，略等于4 5 个原子排列起来的长度。 自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以o 1 至1 0 0n m 这样的尺度为 研究对象的新学科，这就是纳米科技。所谓纳米科技是指以纳米尺度( 1i l l l l 1 0 0n m ) 1 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 的材料或结构为研究对象的学科，就是指通过一定的微细加工方式，或直接操纵 原子、分子或原子团、分子团使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质 或结构，研究其特性，并由此进行制造具有新功能的器件或机器以及其它各个方 面应用的科学与技术。作为一门极有前途的新兴学科，纳米科技为人们揭示了一 个可见的原子、分子世界。纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学。纳米 科技所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的介观领域，从而开辟 了人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平， 这标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。 纳米科技是2l 世纪科技产业革命的重要内容之一，纳米科技是一门包括物理、 化学、生物学、材料科学和电子学在内高度交叉的综合性学科。它不仅包含以观 测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术 科学，是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。纳米科技主要包括：1 ) 纳 米体系物理学；2 ) 纳米化学：3 ) 纳米材料学；4 ) 纳米生物学；5 ) 纳米电子学； 6 ) 纳米加工学；7 ) 纳米力学。 人们通常将纳米科技大致划分为两个方面：纳米科学，主要是从事有关纳米 尺度上的一些基础性研究，通过纳米尺度结构或材料所具有的一些现象或特殊的 性质，探讨其原理以及最本质的根源。现在的主要领域包括纳米体系物理学、纳 米体系化学、纳米生物学、纳米电子学原理、纳米力学等。纳米技术则主要是一 些纳米级的加工与制造技术，比如纳米器件、纳米机器人、纳米定向靶药等。特 别值得关注的是，在现阶段纳米材料被更多地突出出来，包括各种纳米尺度的金 属和非金属材料、以及高分子材料等的制备、表征以及应用等。 “纳米材料 的概念是2 0 世纪8 0 年代初德国科学家h g l e i t e r 教授提出来 的，是特征尺寸为纳米量级的材料的统称以及纳米相材料等。如由纳米粒子组成 的超微颗粒材料，其粒径分布在o 1 1 0 0n m 范围的晶体或非晶体，处于原子簇和 宏观粒子交界的过渡区域。按区分微观和宏观物体的一般标准来看，这样的系统 2 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 应该是一种既非典型的微观、亦非典型宏观系统的介观系统。当人们将宏观物体 粉碎成纳米级超微颗粒后，虽然没有发生化学反应转变成其他物质，但物质的多 方面性质和宏观物质比较均发生了根本性的改变。 所有的纳米材料都具有一个共同的结构特点：1 ) 纳米尺度的结构单元或特 征维度尺寸在纳米数量级( 1 1 0 0 姗) ；2 ) 有大量的界面或自由表面；3 ) 各纳米 单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性，使纳米材料具 有一些独特的效应，包括小尺寸效应和表面或界面效应等，因而在性能上与具有 相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异，表现出许多优异的性能和 全新的功能，己在许多领域展现出广阔的应用前景，引起了世界各国科技界和产 业界的广泛关注。 纳米材料和技术是纳米科技最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。广 义的纳米材料是指在一维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本 单元构成的材料。按照维数，纳米材料的基本单元可以分为一类：1 ) 零维，指在 空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；2 ) 一维，指在空间 有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；3 ) 二维，指在三维空间中 有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜，超晶格等。因为这些单元往往具有量子 性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别有量子点、量子线和量子阱之称。 纳米化所带来的一系列独特性能为改造传统材料提供了新的可能性。也为研究固 体内界面结构、热力学状态及内界面对材料性能的影响创造了条件，所以纳米材 料已成为材料及凝聚态物理领域的研究热点。 1 1 2 一维纳米材料的制备方法简介 获取一维纳米结构材料成为纳米科技研究领域的一个新兴热点，总的来说， 一维纳米材料的制备方法可以分为三大类：气相法、液相法和模板法。在气相法 中，一种为人们普遍接受的纳米线生长机制就是所谓的“气一液一固法”( v l s 3 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 法) 。r s w a 印e r 等 1 在研究单晶硅晶须的生长过程中首次提出了这种方法。现 在v l s 法已被广泛用来制备各种无机材料的纳米线，包括半导体元素( s i ，g e ) 【2 】， i v 族半导体( ga _ n ，g a a s ，i n p ，i n a s ) 【3 6 】，i i 一族半导体( z n s ，c d s ，c d s e ) 7 】以 及氧化物( z n o ，g a 2 0 3 ，s i 0 2 ) 【8 1 0 】等。在v l s 法中，纳米线生长所需的蒸汽既可 由物理方法也可由化学方法来产生，由此派生出一些人们熟悉的纳米线制备技术 方法。物理方法有激光烧蚀法 1l 】，化学方法有化学气相沉积( c v d ) 法 1 2 】、金属 有机化合物气相外延法( m o v p e ) 【1 3 】以及化学气相传输法【1 4 】等。美国华盛顿大学 b u i 们等采用溶液液相固相( s l s ) 法，在低温( 1 6 5 2 0 3 ) 下合成了m v 族化合 物半导体纳米线【1 5 1 6 】。这种低温s l s 生长方法的机理类似于上述的v l s 机理。 般来说，低熔点金属( 1 1 1 ，s n 或b i ) 常作为助溶剂( f l u xd r o p l e t ) ，类似于v l s 中的 催化剂( c a t a l y s t ) 。模板法制备纳米线或纳米棒所用的模板主要有孔型氧化铝模板 ( a a o ) 、聚碳酸脂模板( p c ) 、碳纳米管( c n t s ) 模板等。模板合成纳米结构中所涉 及的化学过程或方法有电化学沉积【1 7 1 8 】、化学聚合反应【1 9 】、溶胶- 凝胶沉积【2 0 】 和化学气相沉积【2 1 】。 1 1 3 一维纳米材料的电学测量方法 由于纳米线、管的尺度比较小，对其电学性质的测量研究非常困难，早期人 们只能测量纳米材料整体的性能，但是不清楚单根纳米管线的性能。为此人们运 用多种手段方法来测量单根的纳米管线的性能。主要的研究手段包括利用光刻、 电子束加工微电极方法 2 2 2 6 ，2 7 2 9 、利用聚焦离子束沉积微电极方法 3 0 一3 6 世 号手。 一、利用光刻、电子束加工微电极方法 用半导体工艺中的光刻技术和电子束爆光在氧化硅衬底上预先制作好微电极 阵列，然后将单根纳米管线样品分散到衬底上，用显微镜找到恰好搭在两个( 或 多个) 电极上的单根纳米管线，进而直接测量。这种方法的优点是不破坏样品， 4 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕十学位论文2 0 0 8 0 6 缺点有两个：一是纳米管线与电极之间的接触电阻可能比较大；二是制作样品的 成功率很低( 如图1 1 所示) ，同时会给测量结果带来一些不确定性因素。在传统 的光刻技术中，由于曝光光源波长的限制，光刻技术的特征线宽只是在1 微米左 右，以及对纳米线的定位比较困难，因此在纳米测量工作早期，人们只能对一些 比较长纳米管线或者纳米管束进行测量。但是对大量的纳米管线的集体操作，集 成依旧是当前纳米测试技术需要解决的难题。 图卜1 运用光刻技术预先制作电极 2 8 电予束刻蚀以电予束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，电子束波长极短，束 斑直径很小，采用电了束刻蚀能够获得及高分辨率的刻蚀结果。其刻蚀的精度可 以满足1 0n m 最小线宽的要求，而且不需要掩模版，不存在硅片和掩模板之间的 平行度问题，但是电予束刻蚀的缺陷在于刻蚀速度太慢，无法满足大规模生产的 需要。 图卜2 电子束曝光技术制作纳米线电极 5 嵩蒺 一 河南人学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 二、聚焦离子束沉积微电极方法 e b b e s e n 等 3 7 】首先运用聚焦离子束在单根多壁碳纳米管上沉积金属钨制作纳 米电极，测量了单根多壁纳米管的电了输运特性，如图卜3 所示。s b c r o n i n 【3 8 】 等运用聚焦离- 了束在刻蚀功能成功的剥离了铋纳米线表面的氧化层，随后在纳米 线上制作电极，测量表明纳米线与电极之间为欧姆接触。j f l i n 【3 9 】等系统的研 究了聚焦离子束所沉积的金属的电学性质。该方法的特点是先分散纳米样品，找 到合适的单根样品后，再用聚焦离了束沉积金属将纳米线与大的金属电极相连。 电极的位置、长、宽、高均可随意控制，这也是该方法最大的优点。这种方法的 缺点是聚焦离子束可能对加工的纳米样品产生一定的破坏作用，造价高且不利于 大规模的集成。 三、电场驱动组装 8 0 4 0 藿 o dq 0 - 8 0 图1 3 聚焦离予束沉积微电极 图1 4 电场组装l n p 纳米线 6 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文 2 0 0 8 0 6 哈佛大学的段镶锋等人采用电场驱动组装【4 0 一4 2 的方法将纳米线的组装与其 半导体性质的测量联系起来。最近a r a v i n dv i j a y a r a 曲a v a n 【4 3 小组采用电场组装 的方法实现了单壁碳纳米管的大规模组装，组装的密度可以达到几百万个每平方 厘米，所以电场驱动组装的方法在集成电路、大规模集成电路等方面将会有很大 的应用前景。 。攀，。 精背嘲。链i 。 一 麟嵫黪察i ， i j 图1 5 大规模电场组装单壁碳纳米管 4 3 1 2 基于一维纳米材料的光电子器件研究 近年来，一维纳米光电子器件由于其优异的性能受到了人们极大的关注，关 于一维发光二极管【4 4 】、一维光检测器件【4 5 】、一维场效应晶体管 4 6 】等的报道很 多。 1 2 1 一维发光二极管 图1 6 为z n o 纳米线阵列异质结发光二极管，其结构为p + 一g a n n - z n o n a n o w i r ea 盯a y n + 一z n o ，由于z n o 纳米线与电极的接触面积在纳米尺寸，具有较 好的界面接触性能和较少的晶体缺陷，所以基于纳米线的一维发光二极管将能极 大的提高器件的性能。 4 4 7 河南人学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位沦文2 0 0 8 0 6 二! ；蘩蘩再鬻 一l 。潮：戳 图1 6z n o 纳米线发光二极管 1 2 2 一维光检测器件 一一 图1 7z n o 纳米线光检测器件 图1 7 为z n 0 纳米线可见紫外光检测器件的示意图，光电导增益高达1 0 8 ，其 主要原因为z n o 纳米线表面的吸附氧俘获空穴使氧气脱附，阻止了载流了的复合 增加了光生载流子的寿命。 4 5 1 2 3 一维场效应晶体管 一维场效应晶体管是通过栅压调控纳米线来进行工作的。单晶结构的s i 纳米 线场效应晶体管通过热处理钝化氧缺陷的方法使其平均跨导由4 5 n s 增加到 8 0 0 n s ，平均迁移率由3 0 c m 2 v s 增至5 6 0 c m 2 v s 。s i 纳米线场效应晶体管在性 8 爨 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 能超越了传统的场效应晶体管，将成为未来纳电子器件的重要组成部分。 4 6 】 艨燃摹 一 吾。 一 u 裟 豳麟秽 图1 8 高性能s i 纳米线场效应晶体管 1 3 基于一维纳米材料肖特基势垒的光电子器件研究 一维纳米材料与金属形成的肖特基势垒，对一维光电子器件的性质有重要的 影响。而且，基于肖特基结可以构筑新型的光电子器件，如高频的肖特基势垒二 极管、大开关比的肖特基二极管、基于肖特基势垒的场效应晶体管通过栅压对肖 特基势垒的调控实现了单根碳纳米管的发光。 1 3 1 一维肖特基二极管 肖特基势垒二极管是一种多子器件，没有“少子”的存贮效应，开关时间短， 串联电阻小，有良好的高频特性和开关特性，而且结构简单、便于集成、工作稳 定，性能良好。 构筑一维肖特基二极管的常用方法是在纳米线的两端沉积不同的金属分别形 成欧姆接触和肖特基接触。图1 9 为g a n 纳米线肖特基二极管的结构示意图与i v 特性图，通过在纳米线上沉积a l 电极形成肖特基接触，用电子束刻蚀的方法 在g a n 纳米线上制作t i a u 电极形成欧姆接触，产生了整流性质良好的肖特基二 极管。【4 8 9 河南人学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕十学位论文 2 0 0 8 0 6 图1 9g a n 纳米线肖特基二极管 图1 1 0 为碳纳米管肖特基二极管的特性图，通过在碳纳米管的两端制作t i 电 极和p t 电极分别形成肖特基接触和欧姆接触，形成的肖特基二极管工作频率高达 2 5 t h z ，反向击穿电压达到1 5 v 。 4 1 2 1 0_ 8毒2024 v ( v 刊l s ) 。h1e l z ； 山 z 1 e 1 2 图1 - 1 0 碳纳米管肖特基：极管【4 9 王中林小组 4 7 采用电场组装的方法将z n o 纳米带组装在a u 电极上一端为肖 特基接触一端为欧姆接触，这主要是由其表面态决定的，得到了整流性良好的肖 特基二极管。其开关比达到2 0 0 0 。图1 1 1 为z n 0 纳米带肖特蜒：极管的s e m 图 及i v 特性图。 1o 铲 驴 旷 兰， 铲 芒，妒沁 铲 r r r j 1 e 1 x x y n x x x x 4 2 d 0 口 d 0 d 1 ， 1 8 6 4 2 盘 一帕e一一 河南火学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 图1 1 1z n 0 纳米带肖特基二极管 1 3 2 一维肖特基场效应晶体管 2 0 0 2 年，p h a v o u r i s 小组提出了碳纳米管场效应晶体管的肖特基势垒模型， 图1 1 2 为碳纳米管场效应晶体管的几何结构图，它与传统的场效应晶体管是不同 的，传统的场效应晶体管是通过栅压来调控沟道的电导，而一维肖特基场效应晶 体管的工作机理是通过栅压对肖特基势垒进行调制，进而实现对电流的控制作用。 ir ，+ ，+ - r 2 0 0 一 一1 5 0 一 c t 7- 三1 0 0 一 。 9 1 里5 0 o 一 = 】。 0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 0 l e n g l h ( n m ) 图1 - 1 2 碳纳米管场效应晶体管 5 0 通过栅压的调制碳纳米管场效应晶体管还可以实现双极传输。图1 1 3 为碳纳 米管场效应晶体管的结构示意图与其特性图，通过栅压的调制作用，使得源极与 漏极分别注入电子与空穴，电了与空穴复合发光。 拶嚣曼i 0 5 i 3 2 ， o 一5)i多与。 河南入学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕十学位论文2 0 0 8 0 6 图l - 1 3 电诱导碳纳米管场效应晶体管发光【5 1 1 4 本论文研究的意义、思路及主要内容 对肖特基基本输运特性及影响输运特性因素的研究是构筑新型肖特基光电了 器件的基础。关于其输运特性的研究我们小组前期已经开展了一些工作。 f a 7 e5 4 3 2 1 0120d5e7 v o i t a 9 e ( v ) p _ 产。5 1 f ub i -：) h _ _ n j d _ i ； _ m 图1 - 1 4z n o 纳米棒阵列的i v 特性图 5 2 l2 幅 佃 5 o 伸 俘 一u)iu8jjno 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 1 ) 由于一维纳米线的比表面积高，其表面态在纳米线的电输运、光检测、发 光等性质方面具有重要的作用，所以研究一维纳米线的表面态具有重要的意义。 图1 1 4 是我们小组前期关于z n o 纳米棒阵列的工作，指出表面态控制肖特基势垒， 阐明了表面态对肖特基结电流输运特性的影响，其光响应机理为表面态俘获光生 空穴使得肖特基势垒的高度降低，电流增大。 2 ) 图1 1 5 为我们小组前期关于单根c u o 纳米线的工作，在此工作中采用扫 描探针显微镜的c a f m 及k f m 模式对单根的c u o 纳米线进行了研究，指出c u o 纳米线的肖特基势垒同样是由表面态控制的，在纳米线的表面，肖特基势垒的高 度是不均匀的，呈现二维条状分布。随着纳米线表面各处的表面态的变化( 纳米 线表面的晶向不同) ，探针与c u o 纳米线间的势垒高度也不断的变化，进而影响其 电流的大小，所以电流像中的条纹状结构是由纳米线表面各处的晶向不同造成的。 妻习入 圣1 匕s 图1 1 5c u o 纳米线的电流像图及形貌图 5 3 】 1 4 1 选题意义及思路 虽然目前关于一维肖特基纳米光电子器件及其光电输运性质的报道很多，但 是仍存在很多需要解决的问题，比如：如何确定肖特基势垒的光响应机制及其几 13 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 何结构以及肖特基势垒的几何结构对光电输运性质的影响等等。根据这些研究背 景及我们小组的前期工作，在本论文中我们主要关注的问题是一维纳米材料肖特 基势垒的结构对其光电传输特性的影响，主要针对以下两个方面进行研究：l 、研 究肖特势垒的几何结构对z n o 纳米线肖特基光电二极管的光电流特性的影响；2 、 s n 0 2 一维纳米结构不同的器件结构对接触类型及器件电学输运性质的影响。 1 4 2 主要内容 本文运用化学气相沉积法制备z n o 、s n 0 2 纳米线，结合光诱导的扫描探针显 微镜测量了z n o 、s n 0 2 纳米线、纳米带的光电输运性质并进行了分析。论文有以 下几个方面的内容： 第一章，绪言，主要介绍了纳米材料的特殊性质研究、一维纳米材料的电学 测量方法、一维纳米光电子器件及基于一维纳米材料的光电子器件研究等。 第二章，z n o 纳米线制备表征及电场组装。采用化学气相沉积法成功的制备 除了z n o 纳米线，并结合s e m 、t e m 、h r l r e m 、s a e d 、x r d 等对材料进行了 表征，采用交流电场组装的方法将单根z n 0 纳米线组装在n 电极上，以便于对单 根的z n o 纳米线进行其他性质的测量。 第三章，对第二章中电场组装的单根z n 0 纳米线进行光电性质的测量，z n o 纳米线的光电流随着电压的增大不出现饱和现象，且光电流具有增大的微分电导， 这是与它独特的势垒结构相关的，并推断出其势垒结构满足一维纳米材料的二维 势垒结构模型，z n o 纳米线为非完全耗尽的。 第四章，s n 0 2 纳米线的制备表征及其输运性质的研究。采用化学气相沉积的 方法制备出了一维的s n 0 2 纳米材料并对它们进行了一系列的表征，然后1 ) 将一 维s n 0 2 纳米带超声分散在无水乙醇中将其滴加在i t o 上并进行了纵向电学性质的 测量，s n 0 2 纳米带与探针之间为肖特基接触与i t o 之间为欧姆接触，形成了较好 的整流性质。2 ) 采用电场组装的方法将s n 0 2 纳米线组装在p t 电极上对其进行了 1 4 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 横向电学性质的测量，s n 0 2 纳米线与两个p t 电极之间都形成了肖特基接触，为背 靠背的肖特基势垒结构。发现纳米带的纵向电学性质与纳米线的横向电学性质有 很大的差异，这主要是由于它们的接触特点不同造成的。 1 5 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 参考文献 【1 】s l ib 啪d o w ，w j d r e s s c h ，c s d u l c e y ，e ta 1 ，j v | a c s c i t e c l l l l o lb ，1 9 9 7 ，1 5 ， 8 1 8 【2 】j l i ，c p a p a d o p o u l o s ，j m x u ，a p p l p h y s l 甜19 9 9 ，7 5 ，3 6 7 【3 】r s n i c e w 锄e 印e n a ，qr f r e e m a n ，b d r e i s s ，e ta 1 ，s c i e n c e ，2 0 01 ，2 9 4 ，13 7 4 】d j p e n a ，a j c 撇d o ，e ta 1 ，j p h y s c h e m b ，2 0 0 2 ，10 6 ，7 4 5 8 【5 】c a f o s s ，m j t i e m e y ，a n dc r m a r t i n ，j p h y s c h e m ，1 9 9 2 ，9 6 ，9 0 0 l 【6 】黄怀国，陈景河，邹来昌等，稀有金属，2 0 0 3 ，2 7 ，9 1 【7 】c h l i u ，j a z a p i e n ，e ta 1 ，a d vm a t e r ，2 0 0 3 ，15 ，8 3 8 【8 】c h l i u ，、mc y i u ，e ta 1 ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 3 ，8 3 ，31 6 8 【9 】m l s 孤d r o c k ，c d p i b e l ，f m g e i g e r e ta 1 ，j p h y s c h e m b ，1 9 9 9 ，1 0 3 ，2 6 6 8 1 0 】c a f o s s ，gl h o m y a k ，a 1 1 dc r m a n i n ，j p h y s c h 锄，1 9 9 2 ，9 6 ，7 4 9 7 【1 1 】x d b a i ，c yz h i ，s l i u ，e ta 1 ，s o l i ds t a t ec o 加m u n 2 0 0 3 ，1 2 5 ，18 5 【1 2 】j s s u h ，k s j e o n g ，a n dj s l e e ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 2 ，8 0 ，2 3 9 2 1 3 】c d k e a t i i l g ，a n dm j n a t a n ，a d v m a t e r ，2 0 0 3 ，1 5 ，4 5 1 【1 4 】z w p a l l ，z r d a i ，a i l dz l w 觚g ，s c i e n c e ，2 0 0 1 ，2 9 l ，1 9 4 1 5 】x q x u ，h s h e n ，a n dx yx i o n g ，t h i l ls o l i df i l m s2 0 0 2 ，4 1 5 ，2 9 0 16 】s s 出h i v e l ，s u g e i s s e n ，a n ds w b a l u l 锄咖，j o 啪a lo fp h o t o c h 锄i s 仃y 觚d p h o t o b i o l o g ya ：c h e m i s t 巧2 0 0 2 ，l4 8 ，2 8 3 17 】l b r u s j c h e m p h y s 19 8 6 ，9 0 ，2 5 5 5 18 】w p h a l p e r i n ，r e v o fm o d e mp h y s 19 8 6 ，5 8 ：5 3 2 【1 9 】j l u ，m t i n l ( 1 1 a n ，物理，1 9 9 8 ，2 7 ，1 3 7 2 0 】d l f e l d e i n ，k e a t i i l gcd ，c h e m s o c r e v 19 9 8 ，2 7 ，l 16 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 5 级硕士学位论文2 0 0 8 0 6 【2 1 】s m 0 0 n s u b ，gs p h i l i p p e ，n a t u r e2 0 0 0 ，4 0 7 ，9 8 l 【2 2 】y c u i ，x f d u a n ，j t h u ，c m l i e b e r ，j p h y s c h 锄b2 0 0 0 ，l0 4 ，5 213 【2 3 】y c u i ，a n dc m “e b e r ，s c i e n c e2 0 0 1 ，2 9 1 ，8 5 l 【2 4 y h u a i l g ，x f d u a n ，y c u i ，l j l 锄b o n ，k h k i m ，c m “e b e r ，s c i e n c e ，2 0 01 ， 2 9 4 1 3 1 3 【2 5 】j r k i m ，h m s o ，j w p a r k ，a 1 1 dj j k i i i l ，j h k 妇，c j l e e ，a n ds c l ”， a p p l p h y s l e t t 2 0 0 2 ，8 0 ，3 5 4 8 【2 6 】e c o m i n i ，g f a g l i a ，g s b e e g l i e r i ，z w p 锄，孤dz l w 锄g ，a p p l p h y s l e t t 2 0 0 2 ，8 1 ，1 8 6 9 【2 7 】j p s a l v e t a t ，g a n d r e w ，d b r i g g s ，j m b o n a r d ，r r b a c s a ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 1 9 9 9 ，8 2 ，9 4 4 2 8 】j j o o ，k t p a r k ，b h k i me ta 1 ，s y n t h m e t 2 0 0 3 ，7 ，1 3 5 【2 9 】agm a c d i a n n i d ，w ：e j o n e s ，i d n o r r i se ta 1 ，s y n t h m e t ，2 0 01 ，1 19 ，2 7 【3 0 】gt k i m ，m b u 啦a r d ，d s s u he ta 1 ，s ) ，i l t h m e t 1 9 9 9 ，1 0 5 ，2 0 7 ；j gp 酞，q t k i m ，v k r s t i ce ta 1 ，s y n t h m e t 2 0 0 1 ，1 1 9 ，5 3 【3 l 】s w c h u n g ，j yy ua n dj r h e a t h ，a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 0 ，7 6 ，2 0 6 8 【3 2 】t w e b b e s e n ，h j l e z e c ，h h i u r a ，j 、mb e n n e t t ，h f g h a e m i ，t t h i o ，n a t i l r e 1 9 9 6 ，3 8 2 ，5 4 【3 3 】b w e i ，r s p o l e n a l ( ，p k 0 h l e r - r e d l i c h ，m r u h l e ，e 山吸，a p p l p h y s l e t t 19 9 9 ， 7 4 ，3 1 4 9 3 4 】yz l o n g ，z j c h e n ，n l ge ta i ，a p p i p h y s l e t t 2 0 0 3 ，8