（原子与分子物理专业论文）zno纳米线场效应晶体管的制备及iv特性研究.pdf

z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 中文 两费 氧化锌( z n o ) 纳米线的制备和特性研究是当今纳米科技最重要的研究热点。本论丈 在调研总结国内外半导体材料z n o 纳米线的制备和性质，研究文献的基础上，采用化 学气相沉积( c v d ) 法，制备了高取向的z n o 纳米线，并研究分析了z n o 纳米线制备 工艺，生长机理，及相关特性研究，制备了z n o 纳米线场效应晶体管。对制作的不情 况下的场效应晶体管，进行了i v 特性曲线的研究。获得了一些研究结果。 1 采用c v d 法，以摩尔比为1 ：1 ：0 1 的z n o ，石墨，z n 粉末为原料，控制为1 0 5 0 l 条件下，在镀有金膜的s i 片上生长出，结构均匀、取向性良好的z n o 纳米线，对上述制 备的样品利用透射电镜( t e m ) ，扫描电子电镜( s e m ) ，x 射线衍射( x r d ) ，光致发光( p l ) 等测试手段进行相应的分析和表征。 2 在s i 片上热氧化生长一层s i 0 2 绝缘层，利用热蒸发的方法在s i 片上镀制金属 薄膜，利用传统的离子刻蚀技术，在金属膜上刻饰出宽度大约为5 ，7 ，1 0 1 , t m 的隔离沟 道，分别作为源极和漏极，背面s i 层作为栅极。采用静电探针和原子力探针技术，将 单根z n o 纳米线搭接在沟道两端，构建出z n o 纳米线绝缘栅场效应晶体管，并对不同 情况下的场效应晶体管进行特性曲线的测定。 3 测试发现，z n o 纳米线与金属沟道的接触特性是影响z n o 纳米线场效应管i v 特 性的主要因素。直径较小的纳米线与沟道膜问较易形成电阻较小的肖特基接触，其i v 曲 线都呈较规则的对称分布特性。而直径较大纳米线组装的器件，因与金属沟道接触不易 稳定，可能在两个接触点处形成接触电阻较大、势垒高度差异较大的的肖特基结，器件 的i v 曲线易表现出正向偏压电流远大于反向偏压电流的整流特性。实验也发现栅压是控 制场效应晶体管的重要因素。我们的研究也表明z n o 纳米线的紫外敏感特性使得制备的 z n o 纳米线场效应管对紫外光照也有较强的敏感作用，这意味着这种器件可用于紫外光 检测敏感器件或光开关。 关键词：z n o 纳米线；化学气相沉积；场效应晶体管；i v 整流特性 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fz n 0n a n o w i r e sa r et h em o s t i m p o r t a n te x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lh o t s p o ti nn a n o m a t e r i a lf i e l d s m a n yp u b l i s h e dp a p e r s h a v es u m m a r i z e dc u r r e n tr e s e a r c h i n gr e s u l t si ns e m i c o n d u c t o rz n on a n o s t r u c t u r e sa n d p r e p a r i n gm e t h o d i nt h i st h e s i s ，h i g h l ya l i g n e dz n on a o w i r e s h a v eb e e np r e p a r e db y c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v d ) m e t h o d a n dt h em i c r o s t r u c t u r e s ，g r o w t hm e c h a n i s mo ft h e s y n t h e s i z e dz n on a n o w i r e sh a v e b e e na n a l y z e d v i av a r i o u s a n a l y t i c i n s t r u m e n t sa n d t e c h n o l o g i e s i nt h ee n d ，s o m et y p i c a lz n on a n o w i r e sf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r sa r ef a b r i c a t e d a n di t si vc h a r a c t e r i s t i cc u r v eh a v eb e e ns t u d i e da n dd i s c u s s e d a l lt h et e s t i n gr e s u l t sa r e d e s c f i b e da sb e l o w s ： 1 h i 曲l ya l i g n e da n dh o m o g e n e o u sz n on a n o w i r e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db yc v d m e t h o di n1 ：1 ：0 1m o l er a t i oo fz n o ，g r a p h i t e ，z nm i x e dp o w d e ra st h er a wm a t e r i a lo ns i s u b s t r a t e sw i t hg o l d c o a t e df i l m t h ec e n t r a lt e m p e r a t u r eo ft h em i x e dp o w d e rw a sc o n t r o l l e d a t1 0 5 0 a n dt h ed e p o s i t i n gt e m p e r a t u r ea ts is u b s t r a t e sl o c a t i o nw a ss e ta t6 0 0 9 5 0 t h e a s p r e p a r e ds a m p l e s w e r ec h a r a c t e r i z e d b yt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r u m ，r e s p e c t i v e l y 2 越lt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e st os y n t h e s i z ez n on a n o w i r e sa n df a b r i c a t et h ez n o n a n o w i r e sf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r sa r ed e s c r i b e db e l o w f i r s t l y , a nu n i f o r mi n s u l a t i n gl a y e ro f s i 0 2w a sf o r m e do nt h es is u b s t r a t ew i t ht r a d i t i o n a lt h e r m a lo x i d eg r o w t ht e c h n o l o g y n e n t h et h i nf i l mo fd i f f e r e n tm e t a lw i t h10 2 0a mt h i c kw a sd e p o s i t e do nt h es i 0 2i n s u l a t i n g l a y e rv i at h et h e r m a le v a p o r a t i o nm e t h o di nt h ev a c u u mc o n d i t i o n t h i r d l y , t h ew i d t ho ft h e i s o l a t e dt r e n c h e so f5 ，7 ，1 0 斗mw e r ee t c h e do nt h em e t a lt h i nf i l mb yu s i n go fi o ne t c h i n g t e c h n o l o g y a n dt h eb o t hs i d er e m a n e n tm e t a lt h i nf i l m so f t r e n c h e sw e r ea c t e da ss o u r c e a n dd r a i ne l e c t r o d e s ，r e s p e c t i v e l y i nt h ee n d ，as i n g l ez n on a n o w i r ew a so v e r l a p p e do nt h e t r e n c h e sb yt h ee l e c t r o s t a t i cp r o b ea n da t o m i cf o r c ep r o b et e c h n o l o g y s oaz n on a n o w i r e f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o ri sf a b r i c a t e d a n di vc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r s h a v eb e e ns t u d i e du n d e rd i f f e r e n tt e s t i n gc o n d i t i o n 3 t h em e a s u r i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t a c tp r o p e r t y ( t h eo h m i co rt h es c h o t t k y c o n t a c t ) b e t w e e nz n on a n o w i r e sa n dt h em e t a le l e c t r o d e so ft r e n c h e sw a st h em a i ni n f l u e n c e f a c t o rw h i c ha f f e c t e dt h ei vc h a r a c t e r i s t i co fz n on a n o w i r ef e t s w h i l et h es m a l l e rd i a m e t e r n a n o w i r e sh a db e e na s s e m b l e do nt h em e t a ls u r f a c eo ft r e n c h e s ，t h es m a l l e rr e s i s t a n c e s c h o t t k yc o n t a c tc a nb ef o r me a s i l y a n dr e g u l a ra n ds y m m e t r i c a li vc u r v e sw a so f t e ng a i n e d d u et ot h eu n s t a b l ec o n t a c tp r o p e r t yb e t w e e nz n on a n o w i r e sa n dt h em e t a ls u r f a c eo f t r e n c h e sw a sc r e a t e d ，b i g g e rc o n t a c tr e s i s t a n c ea n dh i g h e rp o t e n t i a lh e i g h te x i s t e da tt w oe n d s o fc o n t a c tp o i n t so fz n on a n o w i r e s s ot h ei n s t a l l e df e td e v i c e sw i t ht h el a r g e rd i a m e t e r z n on a n o w i r e ss h o w e dc l e a ra n db i g g e rr e c t i f i c a t i o nc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ei v c h a r a c t e r i s t i co fa s s e m b l e df e t sr e p r e s e n t e dr e c t i f y i n gb e h a v i o rc l e a r l y t h ec u r r e n tf l o w i n g 2 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 t h r o u g ht h ef e t sa tf o r w a r db i a si sl a r g e rt h ef l o w i n gc u r r e n ta tr e v e r s eb i a sc o n d i t i o n s t h e a p p l i e dg a t ev o l t a g ei si m p o r t a n tf a c t o rt oc o n t r o lt h eo na n d0 f fc h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o n t h e t e s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y n t h e s i z e dz n on a n o w i r ef e t sh a v eg a i n e ds t r o n g e r r e s p o n s i v i t yd a t at ou vl i g h t ，w h i c hp h e n o m e n o nc o m e sf r o mt h ez n on a n o w i r e su v s p e c t r a lr e s p o n s e i ta l s od e m o n s t r a t e dt h a tt h ef a b r i c a t e dz n o f e l sh a v ev e r yu s e f u lv a l u e f o rn e a r - u vd e t e c t i o na n dl i g h ts w i t c ha p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：z n 0n a n o w i r e ；c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ；f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ；i vr e c t i f i e r c h a r a c t e r i s t i c 3 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注 和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本 人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：堕盛 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位沦文作者签名：兰煎盛 指导教师签名： 签名f 期： 2 叮年月2 n z n o 纳米线场效应晶体管的制备及l v 特性研究 第一章绪论 1 1 引言 纳米技术是在纳米尺度上通过控制物质性质制造或创造新型功能材料、器件和系 统，研究纳米尺度材料的新的特性( 电子、物理、化学、生物学等) 的科学。纳米科学 与技术是科学发展跨时代的主要内容之一，是一个融科学前沿和高技术于一体的完整的 科学技术实践体系，是2 1 世纪高科技的基础。现在它的学科划分包括七个主要部分： 纳米电子学，纳米物理学，纳米化学，纳米生物学，纳米材料学，纳米机械学和纳米表 征测量学。纳米线材料是纳米材料体系中的一个重要分支，因为纳米线材料在介观物理 和纳米器件i l l 研制方面有非常重要的应用前景。近年来，一维的纳米材料如纳米管，纳 米线1 2 j 已成为纳米科学研究的热点，一维纳米材料的奇异物理、化学特性和在构建纳米 级电子【3 】和光电子器件【4 】方面的巨大应用潜力推动了纳米线( 管) 的生长和特性研究。 纳米材料的量子尺寸效应【5 】，小尺寸效应【6 】表面效应吲和界面效应【8 1 使其具有一系列优 异的电、磁、光、力学和化学等宏观效应，使材料在电学、机械、化学和光学方面出现 了独特的性能。目前世界各国都将此方面的研究列为重点发展项目。我国也很重视此方 面的研究。我国著名科学家钱学森在1 9 9 1 年就曾预言“纳米左右和纳米以下 研究领 域处于国际领先地位。 近年来，随着集成电路加工技术的不断发展，器件加工尺度已进入4 5 n m 范畴，当今 纳米尺度新型半导体材料和器件的制备和特性研究越来越成为半导体器件领域的研究 热点。通过将碳纳米管l 引、硅纳米线等半导体纳米线1 1 0 l 直接搭接在金属隔离沟道电极两 端，世界上多个研究组已制作出了纳米尺度的新型场效应晶体管【u 。1 7 1 ，研究发现，这种 由单根半导体纳米线组装的新型场效应晶体管【1 8 j ，具有制备工艺简单，成本低，易于生 产制造等特点。对开发新型半导体器件有很大的参考和价值，对未来的集成电路工业的 发展具有的重要的指导意义和现实意义。 近来纳米氧化锌( z n o ) 半导体材料的应用研究已成为世界范围内半导体材料领域 的研究热点。z n o 是宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度e g = 3 3 7 e v ，激子束缚能约为 6 0 m e v ，有望替代g a n 材料【1 9 - 2 0 ，在发光和敏感器件的生产中得到应用。目前，世界范 围内的一些研究小组已丌展了利用一维z n o 纳米线组装场效应器件的初步研究，但结果 中仍存在不少问题，亟待进一步分析研究。 1 2z n o 半导体材料的研究 1 2 1z n o 的性质 z n o 是一种l i 族氧化物材料，晶型属于六方晶系，通常条件下z n o 以六方对称 的纤锌矿结构存在，品格常数a = 0 3 2 4 9 5 n m ，c - o 5 2 0 6 5 n m ：c a = 1 6 0 2 略小于理想的六 方结构材料1 6 3 3 。在理想的纤锌矿z n o 晶体中，锌( z n ) 、氖( o ) 各自组成一个六方密堆 积结构的子格子。每个z n ( o ) 原子和最近邻的阴个o f z ) 原子构成一个四嘶体结构。 z t l o m * * n a 体管w 备覆i v 特研i z n 面和o 面在( 0 0 0 1 ) 方向按a b a b a b 方式密堆税而成，从而形成两个不同的面 ( 0 0 0 1 ) 和( 0 0 0 1 ) ，分别代表z n 极性面和o 极性面。如图l - 】： ，?- ： f h ) 。s 蘑 rttt k f c rr 。：羊砖i 二f ：f ： r r l r 丫 口x 闰卜1z n 0 铅锌矿结构示意图( a ) 和品面图c b ) 7 n o 的分子量为8 1 3 9 ，密度为5 6 0 6g c m 3 ，无毒、无味，系两性氧化物，能溶于 酸、碱以及氨水、氯化铵等溶液，不溶于水、醇( 如乙醇) 和苯等有机溶剂。z n o 的 熔点为1 9 7 5 ，加热至1 8 1 3 0 升华而不分解。热导率05 9 5 w c m k ( a 轴方向) ，1 2 w c m k ( c 轴方向) ，激子的b o h r 半径为20 3 n m 。 z n o 禁带宽度为3 3 7 e v ，同g a n 半导体材料相比，z n o 在某些方面具有明显的优 势1 2 ”。首先，z n o 无臭无味，无生物毒性，是一种很好的环境友好型材料；其次，生长 温度也要比g a n 几乎低一倍，而且g a n 材料的制造成本比较高，制造设备昂贵；缺少 合适的衬底材料，通常是生长在较贵的蓝宝石衬底上，需要在高温f 制造，一般需要 1 0 0 0 以上，薄膜生长难度较大i 瑚；再次，g a 在地球上含量也不够丰富。另外，g a n 的腐蚀工艺也比较复杂和困难。这些不足，大大制约了g a n 的实际应用。而z n o 的生 长温度一般低于7 0 0 ，比g a n 要低很多，这有利于降低对设备的要求和能耗，也可 以大大减少高温制备所产生的缺陷。z n o 的激子束缚能高达砷m e v ，比室温热离化能 2 6 m e v 太很多约是g a n ( 2 5 m e v ) 的三倍，并且激子在室温或者更高的温度下不会 被电离，这就在很大程度上避免了因高温生长而导致的膜与衬底问的原子瓦扩散对整个 膜层的电学输运性质的影响。此外，z n o 的抗辐射能力比较强，压电效应几乎是半导体 中虽高的，z n o 作为紫外探测器具有很低的暗电流，蛙大响应波长可达3 5 0 r i m ，良好的 机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。在紫外探测器、短波长l e d 和l d 等光电子器件方 面具有很大的潜在应用前景。 z n o 的非中心对称的极性品体结构，使z n o 具有址电和热电等性质。此外，z n o 还冉蹦个极性表面，即：z n ( 0 0 0j ) 和o ( 0 0 0 1 ) 面，极性表面的存在使z n o 晶体沿c 轴 发巾自发极化。z n o 还具有一蚺批极性的面，例p i ( 2 1 1 0 ) 和( o l i o ) 面，并且不司面的生 k 速率小i id ，这些特性很容易导致z n o 纳米结构的多样化，有纳米线、纳米管、纳米 z n om 来线自救a 体管制备皿i v 特* 研完 棒1 、纳米带、纳米梳i 蚓、纳米弓【2 6 1 、纳米弹簧等新型结构p i ，并且在纳米光电器 件【删、压电器件俐、气敏传感器舯i 等领域得到广泛应用。 图卜2 生长的各种纳米z n 0 村料的形貌图 12 2z n o 纳米材料的制备方法 近来，世界范围内对z n o 纳米材料的制备和特性的研究非常深入，许多研究小组采 用各种制备方法制备了不同外观形貌的z n o 材料。为z n o $ 0 作不同的器件提供了良好的 理论基础。 z l w a n g 等l ”i 以z n o 、s n 0 2 和石墨作为原料，采用自组装的方法生长t z n o 纳米线 阵列，反应过程中，通过用石墨从s n 0 2 中还原出来的s n 原子作为催化剂生长出z n o 纳 米线。纳米线主要是 0 0 0 1 方向生长，其他方向的都被抑制。放射状的纳米线形成的花 和采用公共轴地纳米线丛林形成。s n 原子周围在z n o 纳米线的快速生长形成了纳米花。 纳米结构的研究揭示了他的潜在的生长机制，对推动纳米范围的合成有重要的意思。 mc j c o n g 等人【”删通过m o c v d 法制备了a s 掺杂的z n o 纳米线。他们发现a s 掺杂的z n o 纳米线可通过，+ 长后的热处理过程在g a a s 衬底上制备出来，为p z n o 纳米线 的制各提供了一种可行的制各方法。实验还发现，通过选用不同的工作压力、衬底温度、 生长时间等条件，可对z n o 纳米线的尺寸进行调控。 ywh e o 等p 4 j 采用有催化剂的分子束外延的方法，有选择性的生长 l 了z n o 纳米棒 ( 线) 。囚为低温分子束环境是需要被鉴定的，所以z n o 成核和生长只是在扫c 秘的会属 催化荆i 。但是位置是确定的，通过这种方法生长的单品z n o 纳米棒能达至l j l 5 n m 。对纳 米线的牛k 达到了精确的控制。 杨培东的研究小绡将v l s 机理和气柏外蜒技术槲结合，通过控制催化女l j a u 团簇 或a u 薄膜的几度和位置，实现丁埘z a o 纳米线位霄，赶衽、力| l | j 的扮制p 长，特别是实 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 现了纳米线阵列的控制生长。生长的z n o 纳米线阵列中纳米线的j 直径达到7 0 一1 2 0 n m ， 长度达到了2 - - 2 0 n m 。在纳米线的生长过程中，a u 膜起了催化作用，纳米线阵列只垂直 生长在涂覆有a u 膜的位置。他们通过实验发现，用各种平板印刷技术形成各种a u 膜图 案，就可获得纳米线的定位生长，成功地在蓝宝石衬底上制备出各种图案的z n o 纳米线 阵列。 w o o n g - 等i 珀j 用有机金属化学气相淀积法在g a a s ( 0 0 2 ) 衬底上制备了具有尖头的单 晶z n o 纳米线阵列，z n o 纳米线阵列在结构和力学方面的稳定性，利用纳米阵列的这种 性质有可能用作原子力显微镜( a f m ) 的探头等。 贺英等【3 7 1 采用独特的高分子软模板法通过高分子络合烧结工艺在硅衬底上成功地 制备出【0 0 0 1 】取向生长的z n o 一维纳米结构，考察了其光致发光性能和紫外吸收性能， 研究了烧结温度、烧结气氛及退火处理等不同热处理条件对z n o 纳米线的光致发光性能 的影响。他们研究发现，在3 2 5 n m 激发光激发下样品在3 9 3 n m 左右的波长处存在着较强 的近紫外发射峰；室温下z n o 纳米线在3 6 0n m 紫外区具有很强的吸收。z n o 纳米线的发 光通过量子限域发光中心机制进行，适当升高烧结温度和退火温度有助于完善样品的 晶体结构，从而提高其紫外发射光的强度。 p u x i a ng a 等【3 8 j 采用水热法合成了在事先制作好的a u s i ，a u s i 0 2 s i ，和z n o s i 电极上合成了侧向生长的桥纳米线。在低温8 0 预先做好的基底上生长了z n o 纳米线。 测量了纳米线的特性，对他们的非线性行为进行了分析。搭接的纳米线阵列有可能 被用来制作气体，化学或者生物化学纳米传感器阵列。 p c h a n g 等t 3 9 j 采用电场辅助电化学沉积的方法。该方法具有环保，反应条件温和， 过程可控并易于自动化管理等优点。反应中，将模板作为中间的溶液交换通过介质，阴 阳离子在通过孔洞时，在纵向辅助电场的扰动下沿着阳极氧化铝( a a o ) 模板的孔洞壁一 层一层的生长，采用电场辅助电化学沉积的方法成功的在a a 0 模板中沉积出z n o 纳米线 阵列。制备的到的z n o 纳米线择优y ( 1 0 1 ) 晶面生长。z n o 纳米线形貌均匀，直径大约为 6 0 n m ，样品是单晶纳米结构。 m i c h a e lh h u a n g 等【4 0 j 通过气相传输机制和冷凝过程，在蓝宝石衬底上自组装合成 了z n o 纳米线。这些宽带隙的半导体纳米线有天然的激光枪，直径大约是2 0 1 5 0 n m ， 长度能达到1 0 u m ，在光激发下，表面发光行为在3 8 5 n m 下就能被观察到，辐射带宽小 于0 3 n m ，化学柔韧性的一维纳米线使其成为理想微型的激光器。这些短波长的纳米激 光器应用很广泛，包括光计算、信息存储和微量分析。 美困c a n i f o m i a 大学m h h u a n g 等1 4 1j 人的研究小组将机理和气相外延技相结合，通过 控制催化剂团簇或薄膜的尺度和位置，实现了对z n o 纳米线直径、位置和方向的控制生 长，特别是实现了纳米线阵列的控制生长。在h e c d 激光卜- 的光激发下，观察到了3 8 5 n m 处的受激发射，线宽小于0 3 n m 。这种短波激光器件在光学计算机、信息存储及为分析 4 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 设备领域将有很重要的应用自仃景。 张秋香等1 4 2 j 利用了热蒸发和溶液浸泡两步法实现了在低温和无催化剂情况下合制 备了性能优良光致发光特性和高效场发射性能的z n o 纳米线，而其他的方法需要借助催 化剂辅助或在高温下才能实现，z n o 纳米线在经t u 溶液浸泡前后，其形貌、质量和发光 性质都得到了有效的改善。浸泡后的纳米线不但变得细长，同时也产生了很强的紫外发 射，而且其场发射开启电场和阈值电场也相应变小。z n o 具备发射蓝光和紫外光的优越 条件，有望成为下一代的光电器件。可以应用在短波激光器、化学传感器和太阳能电池 等方面。伴随着太阳能电池的开发和利用，以t i o z 、z n o 为代表的第三代太阳能电池1 4 3 j 的丌发和利用得到了人们的广泛重视。 赵文刚等1 4 4 j 采用s 0 1 g e l 方法在玻璃衬底上镀的z n o 先驱薄膜作为“种子衬底，然 后再用水热方法生长 z n o 纳米线( 或纳米棒) 。水热溶液浓度的增加使得纳米线的直径 会增大，水热溶液浓度减少使得纳米线的直径就会减小。通过这种方法可以大面积制备 z n o 纳米线，还可以通过反应溶液浓度的选择来得到不同直径的纳米结构薄膜。并且用 这种方法制备的z n o 纳米线薄膜的p l 谱显示该薄膜的结晶质量高，同时具有很强的紫外 发射( 3 9 9 n m ) ，还在蓝光( 4 6 9 n m ) 和绿光( 5 6 9 n m ) 波段有较弱的光致发光现象。制备出 的薄膜适合大面积的生长高质量的可用于制备太阳能电池的纳米薄膜。 向群等【4 5 j 用溶剂热制备z n o 纳米线，以固体乙酸锌、氢氧化钠为原料，无水乙醇为 溶剂，p e g 4 0 0 为形貌控制剂，在1 2 0 的温和条件下直接合成出直径约4 0a m 的z n o 纳米 线。制备出的纳米线纯度高、结构均匀、长径比大。该法的反应温度低，产物直径细， 形状均匀，可进行宏观量生产以满足z n o 纳米线作为功能材料的应用要求。在其他小组 的研究中，很少有在导电衬底上生长z n o 纳米线的报道。而且应用在平面显示技术的纳 米线必须生长在导体衬底上。 1 3 纳米z n o 器件的研究现状及应用前景 因特殊的量子尺寸效应、界面和量子限制效应，纳米尺度z n o 具有许多新奇的光、 电以及力学特性。更适宜应用于室温紫外发光、激光材料和光电子器件，对新型传感器、 存储器件和场效应晶体管等开发研究也有重要的研究价值，而z n 0 由于其独特的光学特 性，在激光、场发射、光波导、非线性光学、光电子器件等领域有着巨大潜在应用前景， 并有望在纳米器件及微电子设备等方面发挥重要作用。 1 3 1 光电器件 z n o 具有优异的光电性能，在适当掺杂浓度下，表现出良好的低阻特征，z n o j 爿j 有 宽禁带、高激子束缚能、高强度、高硬度，由于不存在品界，所以沿长轴方向的电阻很 小，电导率很大，更有利于内部电子的运输。使z n o 成为一种重要的电极材料，如太阳 能电池、发光二极管等的电极。m c j e o n g 箸j d 4 6 j 人制备了嵌有z n o 纳米线的n z n o p g a n 异质结发光二极管，在3 8 6n m 处观察发射峰，将二极管在：h ：氛围巾进行退火后发现，从 z n o m * * a 镕昔日q 鲁厦1 v 特性研z n z n o 薄膜中注入z n o 纳米线的i u 了浓度增加从而提高了一柱 管的光发射效率。b p r a d h a n 等1 47 】人用垂直取向的高密度单牖z n o 纳米线代替纳米t i 0 2 薄膜，制各了染料敏化 太阳能f b 池( d s s c ) 。稻海滨等【”愫用沉秘方法在i n o l g a o _ n 衬底上生k 了i n 掺杂的n 型 z n o 纳米线。生长出的z n o 纳米线具宵较低的电阻率，比在g a n 衬底上生长的z n o 纳米 线电阻率低大约2 0 倍，说明在高温生长过程中， n o - g a o9 n 衬底中的l n 原了被有效地掺杂 到了z n o 纳米线中。制各了单根n z n o 纳米线，p + 一s i 异质结并观测到其室温紫外电致发 光。在该异质结电致发光过程中，光发射发生在直接带隙z n o 纳米线中以及s i 衬底表面 自然氧化硅的发光中心中。 1 3 2 场致发射平板显示器 林志贤等h ”以高温气相氧化法制备的四针状纳米z n o 作为场致发射材料，采用浆料 印刷和烧结的方法将其制备成场致发射阴极基板。采用1 5 0 pn l 隔离子自j 隔z b o 阴极和 荧光屏，将阴极板和荧光屏封装成5 x 2 5 am m z 极结构的场致发射显示器进行了场致 发射特性实验的研究，实现了稳定的场致电子发射及简单字符显示。结果表明：四针状 纳米材料是一种制备场致发射平扳显示器阴极的理想材料。下图就是制各的四针状z n o 二极结构f e d 字符显示照片。 | 璺i 卜3 四针状z n 0 一极结构f e d 字符显示照片 1 3 3z n o 场效应晶体管 z n o 纳米带、纳米棒、纳米线等维纳米z n o 已经成功被应用于场效应晶体管。在 s i 0 2 栅极绝缘层沉积并用电子柬刻蚀f l a u 的源电极和漏电极经过充分分散的z n o 纳米 线分布十两极之叫，s i 0 2 栅极绝缘层下面足高度掺杂的s i 层，作为晶体管的栅极。通过 控制栅极的电压，进而可以控制电流从源电极流向漏电极。z n o 纳米线哪具有很 h 色 的性能，凭借萧性能的优贽z n o 纳米线f e t 很有可能墩代传统的i m o s f e t ( 会槿一瓶化 物一半导体场效廊品体管) ，使集成| i l 路的r 寸朝着更小的力向发展，z n o 纳米线f e t 自可 能会成为成为f 、代集成f n 路晶体管m ”i 。 z n o * 线* 8 体兽m 备理i v 特* 研究 13 4z n o 纳米带传感器 半导体与气体相互作用时产生表而吸附或反麻，引起以载流。f 运动( x , i z n o 来说午要 是氧空位1 为特征的电导率变化，产生了类似于传感器的的性质。z n o 纳米带由于拥有很 高的比表面积，统一晶面方向的表面，单晶的结构，再加上其小t 寸，使得外部气体原 子有可能完全耗尽带内的载流子，比传统的薄膜传感器有更高的敏感性，是理想的气相 传感器材料。z f a n 等p 1 人研究了z n o 纳米线肿的气体传感性能，发现z n o 纳米线f e t 对0 2 很敏感；z n o 纳米线对n 0 2 和n h 批有很好的区分选择性。纳米线、纳米带等一维 z n o 纳米材料，由于其电性质变化非常敏感，能检测到分子间相互作用时的电信号，具 有很高的生物感应性；而且尺寸小，比表面积较大，容易植入生物系统里，因此是一种 很有潜力的生物传感器材料。 l 3 5 压敏器件 z l w 柚g 等忡彤1 人利用z n 0 的压电效应和半导体效应的耦合作用制备了基于z n o 纳米线的纳米发电机，并通过该发电机成功的将机械能转换为电能。如图1 - 4 所示z n o 纳米线与导电原子力显微镜探针接触后发生弯曲由于z n o 纳米线具有压电和半导体性 能，当发生弯曲后便产生应力场，沿着z n o 纳米线有正负电荷分离，z n o 纳米线和金属 探针间形成肖特基势垒而具有整流特性，并产生了电流。该纳米发电机的效率可达1 7 3 0 。这种方法在将机械能、振动或水压力转换成电能，使z n o 半导体材料在为纳 米器件提供动力方面有着潜在的使用价值。图1 - 5 就是纳米发电机实物图。 v 图卜4 纳米发电机原理 幽1 - 5 纳米发电机 1 4z n 0 在其他方面的应用 纳米z n o 在阳光，尤其是紫外光照射下，在水和空气中，能自行分解出口山移动 的带负电的电子，同时留下带正l u 的空穴，这种空穴可馓亍舌空气中氧变成活性氧，其有 掀强的化学活性，能与多种有机物艘牛氧化反应，杀死此病毒和病苗。无毒无味，对 皮肤无刺激性，1 ；分解不变质，热稳定性好，本身为自也，可以简单地加以着色价格 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特 生研究 便宜。因此，在纤维纺织品、服饰等中掺入纳米级z n o ，既有屏蔽紫外线的功能，又有 抗菌、防霉、除臭的奇特功效。由于纳米z n o 尺寸小，比表面积大，表面的键态与颗 粒内部的不同，表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原 子台阶，加大了反应接触面，大大增加了z n o 吸附有污染物的能力，从而提高了光催 化降解有机物的能力，如纳米z n o 粉体作为光催化剂可使污水中的c r 6 + 变成c r ( o h ) 3 沉淀，用于污水处理。纳米z n o 的催化活性和选择性远远大于其他传统催化剂，有关 研究表咧叫：添加纳米z n o 的反应速度是普通z n o 的1 0 0 - - 1 0 0 0 倍。另外，纳米z n o 几乎不引起光的散射，具有大的比表面积和宽的能带，因而被认为是极具应用前景的高 活性光催化剂之一。利用纳米z n o 的这些特性对织物进行处理，可得到具有相应功能 的纺织品。使用纳米z n o 的胶料，不仅能够使混炼胶混炼均匀，混炼时间缩短，工作 效率提高，而且能够改善胶料的加工安全性，提高橡胶的力学性能及与骨架材料的粘合 性能，从而进一步提高产品内在质量、延长产品使用寿命。纳米z n o 粒径小，比表面 积大，表面活性高；另外纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新 结合，能够到达表面的电子、空穴数量多，化学反应活性高，由此制成的催化剂具有优 良的催化活性。纳米z n o 塑料是将纳米尺寸的z n o 分散于树脂基体中形成的树脂基纳 米复合材料，由于分散相的纳米尺寸效应、表面效应和强界面结合，使得纳米z n o 塑 料具有一般工程塑料所不具备的优异性能。由此制备的纳米塑料薄膜拥有致密的微观结 构，能够抑制分子的溶解和扩散、增强薄膜的阻透性，可应用在气体分离、信息光学 材料以及传感等领域。 1 5 目前存在的问题 由此可知，随着半导体光电器件的集成化和微型化，z n o 半导体纳米线在微电子器 件方面的研究和应用将越来越深入，但目前z n o 半导体纳米材料在器件方面的研究和应 用仍存在以下几个问题： 1 单根z n o 纳米线的制备非常容易受到制备条件的影响，制备单晶性好、结构均匀 的z n o 纳米线是制备z n o 半导体纳米器件的前提。 2 z n o 纳米线场效应晶体管的制备工艺十分严格，组装方法很难达到规格，还不能 广泛应用在实践中。 3 目前，z n o 纳米线场效应晶体管的研究和组装还只停留在实验室阶段，很少大批 量的应用在生产实践中。 4 很多研究还只是停留在基础研究阶段，对z n o 材料应用及器件制备工艺的研究很 少。 1 6 本文研究的意义和目的 目前因内外已丌展了不少包括z n o 纳米线制备方法和器件制备方面的研究。但目 前z n o 纳米线的制备和应用研究中还存在着很多需要解决的问题。 z n o 纳米线场效应晶体管的制备及i v 特性研究 针对上述问题，本论文采用c v d 方法，在开展取向z n o 纳米线的制备和特性研究工 作的基础上，对z n o 纳米线场效应晶体管的制备工艺和器件输运特性开展了基础研究， 探索了一些组装z n o 纳米线场效应晶体管的新技术和新工艺，这些基础研究为z n o 纳米 线在微电子和光电子领域的应用研究奠定了一定的实验和理论基础。 1 采用c v d 法，以摩尔比为1 ：1 ：0 1 的z n o ，石墨，z n 混合粉末为原料，原料温 度控制为1 0 5 0 ，在镀有会膜的s i 片上生长出，结构均匀、取向性良好的z n o 纳米线， 对上述制备的样品利用透射电镜( t e m ) ，扫描电子电镜( s e m ) ，x 射线衍射( x r d ) ，光致 发光( p l ) 等测试手段进行相应的分析和表征。 2 在s i 片上热氧化生长一层s i 0 2 绝缘层，利用热蒸发的方法在s i 片上镀制金属 薄膜，利用传统的离子刻蚀技术，在s i 0 2 绝缘层上的金属膜上刻饰出不同宽度( 5 ，7 ， 1 0 岬) 的隔离沟道，沟道两边金属部分分别作为源极和漏极，背面的s i 层作栅极。将 制备的z n o 纳米线均匀分散，采用静电探针和原子力探针技术，将单根z n o 纳米线搭 接在沟道两端，组装出z n o 纳米线绝缘栅场效应晶体管，比较不同直径纳米线，不同 退火温度，在暗室环境和紫外光照环境下，加栅压和不加栅压等条件下的z n o 纳米线 场效应晶体管进行l v 特性曲线的测定。 3 依照半导体与