氧化锌二维晶体的制备及光电特性研究

Ultrathin two Dimensional (2D) nanomaterials consist of several atomic layers have important applications in electronic, optoelectronic and spintronic devices because of its large specific surface area, small size effect，abnormal surface effect and high carrier mobility. ZnO is a well-studied material with various morphology and typical physical properties. If given ZnO with 2D structure, the performance and application progress of the ZnO-based devices will be greatly enhanced. The controllabe fabrication and investigation of the graphene-like 2D ZnO material and related devices are rarely reported. In this application, we plan to fabricate graphene-like ZnO crystal through a integrated process include pulse laser deposition, high-temperature physical vapor reduction reaction and quick cooling process. The material structure and growth mechanism will be systematically studied, so as to achieve controllable growth of the 2D ZnO crystal. High quality ultraviolet detectors and field effect transistors will be fabricated based on their small size effect, typical surface effect, high electron mobility features and quantum transport characteristics. The influencing factors and the influence mechanisms of the growth parameters on the optoelectronic properties and electronic transport properties of 2D ZnO devices will be illustrated. Proposal to further improve the quality of the devices will be given. These will lay a good foundation for the application of ZnO 2D crystal in the fields of micro and nano electronic, optical electronic devices.

厚度只有几个到几十个原子层的超薄二维层状(2D)纳米材料具有大的比表面积、小尺寸效应、特殊表面效应和高电子迁移率特性, 在光、电、自旋电子学等领域具有重要应用价值。ZnO作为一种广泛研究的材料，有丰富的纳米结构形态和特殊的物理性能。如能将2D结构与ZnO的优势相结合，会大幅提升ZnO器件的质量，推进其实际应用。非极性且具有类石墨层状结构2D ZnO晶体的可控制备、物理特性和器件级应用鲜有涉及。本课题拟采用脉冲激光沉积薄膜、再高温物理气相反应还原与快速冷却工艺相结合研制层状2D结构ZnO晶体。研究其材料结构和生长机理。利用其小尺寸量子效应和2D超薄材料表面的特殊效应、二维层状晶体的高载流子迁移率特性和量子输运特性研制高质量的紫外光电探测器和场效应晶体管。找出工艺参数对器件光电特性和电输运特性的影响机制，提出进一步提高器件性能的措施。为二维ZnO晶体材料在微纳光电子器件方面的应用打下基础。

氧化锌(ZnO)为直接带隙宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为 3.37 eV，其激子束缚能高达 60 meV。特别是 ZnO 包含丰富的纳米结构形态（如纳米杆、纳米线、纳米花、纳米梳等），在发光、光敏、场效应晶体管等器件领域有重要的应用前景。本课题组通过脉冲激光沉积、化学气相沉积和水热法探索了ZnO的生长机制，及其再发光器件、光敏探测、场效应晶体管方面的应用。同时，探索了ZnO在以上应用领域的工作机制。基于脉冲激光沉积的方法，本课题组在非极性衬底上，生长出了结晶性良好的ZnO单晶薄膜。同时，通过改变脉冲激光的能量和频率、生长的温度和气压，可以得到单晶ZnO纳米片和多晶ZnO团聚体。.我们探索了具体生长ZnO单晶纳米片的合适条件，在氟金云母，石墨以及h-BN等层状范德瓦尔斯衬底上制备出了ZnO单晶纳米片并进行了相关生长机理的探究。发现高真空生长有利于ZnO纳米片的结晶及减少缺陷发光，这可能来源于高真空环境大的自由程，生长过程中能量损失少，更有利于材料的结晶。且ZnO在这些衬底材料上生长均沿着特定的外延生长规则进行生长，基本不受晶格失配的限制，也从一个侧面说明ZnO的生长是范德瓦尔斯外延生长。并且利用脉冲激光辅助的特点，我们可以做到厚度可控的生长，这为下一步可控生长二维材料打下一个基础。我们做到了最薄至2 nm的准二维ZnO晶体，其光致发光收到自身限域效应的影响，发光峰位已由377 nm蓝移至366 nm，说明禁带宽度有所扩大。借助二维材料的转移方法，我们采用所制得的ZnO单晶纳米片做了多种光电及电子器件，如自驱动光电探测器，光电二极管以及场效应晶体管。同时，我们还尝试了其他的方案，如水热法生长二维ZnO晶体，利用氟化铵钝化ZnO c面的生长来制备二维ZnO晶体。但是此方案没有达到预期的一个减薄的厚度。我们得到了片状的ZnO晶体，并将其应用于光敏探测。同样，基于ZnO材料的应用，我们在溶液法，磁控溅射方案以及CVD方案也进行了一些尝试并取得了一些成果。如在发光器件的应用中，我们提出插入层来平衡电子空穴的注入，ZnO量子点有源层，以及用氧化物钝化ZnO的表面缺陷。在探测器方面，我们引入Te掺杂，研究Te对ZnO生长形貌的影响。在场发射器件发面，我们通过石墨烯增强ZnO纳米杆，显著增强了场发射因子。在薄膜晶体管方面，我们通过In掺杂实现了In掺杂的ZnO纳米杆场效应晶体管。