Cu掺杂及Cu-N共掺杂ZnO纳米材料的制备、性能以及器件研究

摘要

Cu掺杂的一维纳米氧化锌(ZnO)材料由于其在光学、电学及磁学等多个方面均具有独特的性质，尤其在光电器件及自旋电子学器件领域具有重大应用潜力，受到了研究者们的广泛关注。此外通过适当的共掺杂的方法可以有效的调节材料的性能。本文采用电化学沉积法(ECD)及化学气相传输(CVT)结合扩散的方法制备了ZnO以及ZnO∶ Cu纳米棒（线）阵列，并在此基础上制备了基于单根纳米线的场效应晶体管(FET)，以及采用退火技术制备了Cu-N共掺的ZnO纳米棒阵列，系统的研究了其光学、电学及磁学性能，此外对Cu掺杂ZnO中磁性的起源做了初步探讨。
　　本文主要研究内容如下:
　　1.通过优化生长条件，采用电化学沉积法制备了晶体质量良好的ZnO及ZnO∶ Cu的纳米棒阵列，研究了在不同温度下退火对其光学性能的影响，发现在300℃退火后其晶体质量达到最优，缺陷最少;此外研究了不同Cu掺杂浓度下的磁学性能，在所有掺杂样品中我们都观察到了明显的室温铁磁性，并发现随掺杂浓度的提高室温铁磁性有减弱趋势。
　　2.在电化学沉积法制备的ZnO∶ Cu纳米棒阵列的基础上采用在氮源气氛下退火的方法制备了Cu-N共掺杂的ZnO纳米棒阵列，确定了N的掺入，并研究了其磁学性能，发现共掺杂样品的室温铁磁性相对于Cu单掺样品有显著提高。
　　3.采用化学气相传输结合扩散退火的方法制备了ZnO∶ Cu纳米线阵列，发现在低真空环境下扩散并在Ar气氛中退火的方法更有利于实现在ZnO体系中进行Cu的有效掺杂并不引入第二相，研究了后续退火对其光学、磁学性能的影响，结合电子自旋共振测试发现样品中除Cuzn缺陷外，还有大量Vo和Zni出现。
　　4.制备了基于单根纳米线的FET器件，研究了其电学性能，发现该法制备的纳米线为n型导电，但电子浓度较低，且随着Cu掺杂浓度的提高，有p型转变的趋势，此外发现了明显的光响应效应。
　　5.对ZnO∶ Cu纳米线中铁磁性的来源进行了初步探讨，认为其主要与样品中发现的Vo、Zni和处于不同价态的Cuzn缺陷有关，认为其可能是基于磁束缚极子模型的间接双交换机制作用的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 ZnO纳米材料的掺杂研究进展

1．3 CU掺杂ZnO纳米材料的研究进展

1．3．1 Cu掺杂ZnO纳米材料的制备研究进展

1．3．2 Cu掺杂ZnO纳米材料的性能研究进展

1．4 共掺杂ZnO纳米材料的研究进展

1．5 课题意义与研究内容

第二章 样品制备与表征手段

2．1 引言

2．2 电化学沉积原理及实验过程

2．2．1 电化学沉积基本原理

2．2．2 电化学沉积实验过程

2．3 化学气相传输设备、愿理及实验过程

2．3．1 化学气相传输基本原理

2．3．2 化学气相传输实验过程

2．4 Cu-N共掺杂ZnO纳米棒阵列的制备过程

2．5 样品表征手段

第三章 Cu掺杂ZnO纳米棒阵列的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 BCD法Cu掺杂ZnO纳米棒阵列的制备

3．2．1 沉积电位的确定

3．2．2 不同生长基底的影响

3．2．3 不同Cu源浓度的影响

3．3 ECD法Cu掺杂ZnO纳米棒阵列的性能研究

3．3．1 光学性能研究

3．3．2 磁学性能研究

3．4 本章小结

第四章 Cu-N共掺杂ZnO纳米棒阵列的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 Cu-N共掺杂ZnO纳米棒阵列的制备

4．3 Cu-N共掺杂ZnO纳米棒阵列的性能研究

4．4 本章小结

第五章 基于Cu-ZnO纳米线的性能研究及器件制备

5．1 引言

5．2 Cu掺杂ZnO纳米线的制备及物相表征

5．2．1 纳米线的制备

5．2．2 物相表征

5．3 Cu掺杂ZnO纳米线的性能研究

5．3．1 光学性能的研究

5．3．2 磁学性能的研究

5．3．3 单根纳米线FET的制备

5．3．4 单根纳米线的电学性能研究

5．3．5 Cu∶ZnO磁性起源的探讨

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果