ZnO单晶在天然有机质存在下溶解过程中的晶面效应

以极性氧化锌单晶(0001)面和非极性氧化锌单晶(101-0)面为研究对象,探究天然有机质(NOM)存在下不同晶面的溶解速率和腐蚀形貌的差异。实验结果表明,ZnO单晶特定晶面溶解的速率受其它晶面是否接触溶液影响,侧面接触溶液会加快顶面的溶解速率;NOM存在下(0001)面的溶解速率高于(101-0)面;不同NOM会对ZnO晶面的溶解腐蚀形貌产生不同的影响,与NOM本身性质有关。

低温生长的ZnO单晶薄膜的结构和性能

采用电子束反应蒸镀方法在玻璃衬底上在低温下外延生长了沿 ｃ－轴高度取向的单晶 ＺｎＯ薄 膜，研究了衬底温度及反应气氛中的 Ｏ２对薄膜结构的影响，结合荧光光谱（ＰＬ）和荧光激发光谱（ＰＬＥ） 研究了玻璃上ＺｎＯ薄膜的光学跃迁特性．在３２５℃下获得的单晶薄膜（００２）晶面的ｘ射线衍射峰强度 最大且线宽最窄（０．２８）．反应气氛中的 Ｏ２对 ＺｎＯ 薄膜结构的影响不明显，但对薄膜的 ＰＬ及 ＰＬＥ 特性的影响显著．

ZnO单晶薄膜光电响应特性

对采用MOCVD方法沉积的ZnO单晶薄膜的欧姆接触特性、光电特性进行了研究,并对比研究了射频溅射沉积Si O2抗反射膜对ZnO薄膜I-V、光电特性的影响.实验结果表明,非合金Al/ZnO金属体系与n型ZnO形成了良好的欧姆接触,溅射沉积Si O2在ZnO表面引入了载流子陷阱,影响I-V特性,延长了光响应下降时间.ZnO单晶薄膜光电导也具有时间退化现象.

高度取向ZnO单晶亚微米棒阵列的制备与表征

通过低温压热的方法,在经过预先处理长满晶核的SnO2导电玻璃基底上制备出具有高度取向的ZnO亚微米棒阵列.用扫描电子显微镜(SEM)、选区电子衍射(SAED)及X射线粉末衍射(XRD),对制备出的ZnO亚微米棒的结构和形貌进行了表征.SEM测试结果表明,ZnO亚微米棒是六方型的,近乎垂直地长在基底上,棒的直径为400～500nm,长度约为2μm.SAED和XRD结果表明,ZnO亚微米棒为单晶,属于六方晶系,并且沿犤001犦方向择优取向生长.

气相输运法大尺寸ZnO单晶生长的传输过程控制

研究了化学气相传输法(CVT)生长ZnO单晶的传输过程、动力学和生长机理,分析了CVT法的传输机理、效率以及温场对传输速率和晶体生长的影响.利用气相-固相单晶成核和生长动力学理论研究了制约单晶生长速度和晶体质量的因素.我们得到的不同条件下ZnO单晶CVT生长的实验结果和现象与理论分析一致,获得了ZnO单晶生长的理想条件和高质量的大尺寸ZnO单晶材料.

片状ZnO单晶的光电性能研究

通过SEM、TG、XRD、IR、UV-Vis研究了用均匀沉淀法制备的片状ZnO单晶的结晶学和光电性能。结果显示:片状ZnO是结晶良好的晶体,属纤锌矿结构,对中红外和可见光透射率很高,达80%以上,而对近紫外光的透射率仅为6%。片状ZnO单晶的晶格常数为a=0.3246 nm,c=0.5207 nm,禁带宽度为3.25 eV。

ZnO单晶的微区光致发光特性研究

ZnO单晶材料以其优良的综合性能在光电子器件方面掀起了研究热潮,因此对ZnO单晶的研究具有重要的理论和实践意义。采用激光辐照的方式,对ZnO单晶进行了光致发光(photoluminescence,PL)光谱实验,分析研究了ZnO单晶在不同温度(低温)和不同激光能量强度照射下其光致发光特性。研究结果表明,ZnO单晶内存在少量杂质及表面氧缺陷,这些结构对其发光特性有一定的影响;在低温条件下,ZnO单晶具有良好的发光特性,且随着温度的提高,发光光谱峰的位置会向长波长方向移动,但强度会减小;当激光光源的强度增大,ZnO单晶的PL发射光谱的强度也会随之增大,且峰的位置和相对强度不变。结合拉曼(Raman)光谱实验,从分子及原子振动、转动类型验证了纤锌矿ZnO单晶的六方晶系结构;配合X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)技术,得出ZnO单晶良好的结晶特性以及晶轴取向。

LSAT(111)衬底上ZnO单晶薄膜的分子束外延生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术,在LSAT(111)衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜.研究了衬底表面预处理及生长温度对ZnO外延膜的生长过程、外延取向关系以及表面形貌的影响.发现在较低温度下生长ZnO时,薄膜中容易形成30°旋转畴,而在较高温度下,可完全消除薄膜中的旋转畴,得到具有单一畴的ZnO单晶薄膜,讨论了旋转畴的起源以及生长温度对于消除旋转畴的作用.锐利的3×3 RHEED图像验证了ZnO薄膜具有O极性.

化学气相法生长ZnO单晶的热动特性研究

研究了ZnO-C体系化学气相法生长ZnO单晶的Zn、CO、O2、CO2、ZnO气体热力学平衡过程,计算发现主要气相物种为Zn,CO。分析了Zn和CO在N2,Ar,He气体中的扩散系数,发现Ar气既可抑制Zn物质流传输,又可减缓Zn扩散系数随温度升高而递减的趋势,是较适宜的外加气体。建立了ZnO单晶气相生长一维传输模型,揭示了Zn的动力学输运过程,获取了三个温度梯度下(氩气背景压力分别为0 atm、0.5 atm、1 atm)Zn的物质流密度,以及温度梯度、背景压力对最大生长速率的影响。

ZnO单晶声表面波谐振器传播特性的研究

基于有限元压电材料中表面波传播的有限元分析原理,利用有限元分析软件COMSOL对基于ZnO单晶材料的声表面波器件进行多物理域耦合建模与仿真,提取出了符合声表面波振型的对称模态变形图和反对称模态变形图。通过谐振频率分析,计算出了ZnO单晶的相速度和机电耦合系数;通过频率响应分析,得出谐振器输入导纳、阻抗与频率之间的关系图;最后讨论了叉指换能器的结构对谐振频率、反谐振频率的影响,得出输入、输出叉指换能器(IDT)的叉指电极对数越大,插入损耗值越大,信号衰减越小。

一种ZnO单晶肖特基结X射线探测器及其特性研究

针对传统的硅基辐射探测器在极端环境应用中表现出抗辐照和耐高温能力差的问题,提出并实现了一种采用ZnO单晶制备的肖特基结X射线探测器,并对其各项电学特性进行了测试分析。利用磁控溅射法在ZnO单晶的两面分别制备了Au电极和Al电极;在400℃下退火使得Au-ZnO形成肖特基接触,Al-ZnO形成欧姆接触。常温暗场条件下电流特性测试结果表明:器件的反向电流与温度的倒数成指数关系;在-10 V反向偏置电压下的器件电流为15μA,10 V正向偏置电压下的电流为100μA;在偏置电压为-10 V时测量器件对X射线的响应,发现响应电流随射线电子束流的增加而增加;当加速电压为30 keV、入射X射线电子束流在1~10μA范围内时器件有较高的能量分辨率;在偏置电压为-10 V条件下对器件施加以周期性光照时,器件上升时间和下降时间分别为0.04 s和3.59 s,响应速度快且重复性好。该研究结果表明,基于ZnO单晶的Au/ZnO/Al结构的肖特基结探测器件在X射线探测领域具有较好的应用前景。

基于ZnO单晶声表面波射频标签的特性研究

针对基于声表面波技术的射频识别系统工作原理,提出利用COMSOL软件进行ZnO单晶材料射频波标签特性研究,进行多物理域耦合建模与仿真。提取出符合声表面波特性的模态图,得到正特征频率和反特征频率分别为268 MHz和275 MHz。通过对特征频率的仿真分析,计算ZnO单晶的相速度达到2 715 m/s;通过频率响应分析,画出标签位移与频率之间的关系图,获得了标签的幅频特性;最后讨论脉冲幅度编码对回波脉冲的影响。

ZnO单晶材料不同温度下光致发光性能研究

对ZnO单晶材料不同温度下进行了光致发光研究。室温下ZnO单晶有两个发光峰,分别为375nm的紫外发光峰和570nm的可见光发光带。随着温度的降低,出现两个紫外发光峰,分别为自由激子(FX)和束缚激子(D0X)发光峰,并且束缚激子发光峰随着温度降低较自由激子变化明显。较低温度时在370nm到400nm出现多个发光峰,为声子(LO)参与的受主束缚激子(A0X)发光峰。10K时出现四个紫外发光峰,分别为自由激子(FX)、表面激子(SX)和束缚激子(D0X)发光峰。

ZnO单晶和BeZnO合金的生长及其紫外探测器研究

用分子束外延(MBE)的方法在c面蓝宝石衬底上生长出了高质量的ZnO单晶薄膜和BexZn1-xO合金薄膜。X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明,合金材料中Be元素的摩尔分数分别为1.8%、4.9%、8.0%和15.3%。在此基础上制备了ZnO基和BexZn1-xO基的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器。ZnO单晶探测器的响应波长为375nm,在1V电压下,350nm处的光响应度高达43A/W,光电流和暗电流之比达到105量级。在BexZn1-xO基紫外探测器中,其截止响应波长随着合金中Be含量的增加逐渐蓝移,其中Be0.153-Zn0.847O合金探测器的截止响应波长为366nm,紫外波段和可见波段的光电流之比达到2~3个数量级,具有良好的信噪比。此外,提出了氧气等离子体表面处理降低探测器暗电流的方法,并使ZnO单晶探测器的暗电流降低了4个数量级。

基于ZnO单晶声表面波压力传感器的特性研究

基于声表面波(SAW)理论以及SAW谐振器的结构和工作原理,设计了一种基于声表面波(SAW)谐振式压力传感器。采用有限元软件COMSOL Multiphysics对ZnO单晶声表面波谐振器进行建模和仿真,提出符合声表面波振型的对称模态和反对称模态,计算出ZnO单晶的相速度为3 237.31 m/s。讨论了ZnO基底厚度对此压力传感器的相速度的影响,得出ZnO基底厚度越大,相速度越小。最后通过加载0~1 000 kg/m^2的质量块来模拟不同的压力对器件的频率响应的影响,结果显示压力的变化与谐振频率二者具有良好的负相关线性关系。通过拟合得出线性表达式。

复配表面活性剂对氧化锌单晶衬底后清洗效果的影响

在ZnO单晶衬底的制造加工过程中,不可避免会引入二氧化硅磨料粒子、有机物等污染物,这会严重影响衬底上所生长薄膜的质量,从而影响半导体器件的性能和可靠性,因此后清洗工艺对外延薄膜的质量至关重要。本研究采用控制变量法研究了复配表面活性剂O-20和JFC的质量比及总质量对超声法后清洗效果的影响。研究发现,复配表面活性剂较单一表面活性剂对衬底表面污染的去除效果更好;不同质量比的复配表面活性剂的清洗效果不同,当O-20和JFC的质量比为2∶1时,对衬底表面污染的去除效果最好;当O-20和JFC的质量比固定为2∶1,增加复配表面活性剂的总质量,对衬底表面污染的去除效果更好;但当总质量增加到一定程度后,清洗效果不再提升,反而会增加表面活性剂的清除难度。

大尺寸低阻ZnO单晶衬底

ZnO单晶作为一种宽带半导体材料具有许多应用潜力，如制作高效率兰色、紫外发光和探测器、新型大功率微波器件等。本成果提供一种氧化锌体单晶生长技术。作为第三代半导体的核心基础材料之一的ZnO晶体既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。中国科学院所属单位的科研人员研究掌握了一种生长高质量、大尺寸Zn0单晶材料的新型技术方法一化学气相传输法（CVT法），而且采用CVT法已生长出了直径32毫米和直径45毫米，4毫米厚的ZnO单晶。

大尺寸低阻ZnO单晶衬底

ZnO单晶作为一种宽带半导体材料具有许多应用潜力，如制作高效率兰色、紫外发光和探测器、新型大功率微波器件等。本成果提供一种氧化锌体单晶生长技术。作为第三代半导体的核心基础材料之一的ZnO晶体既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。

氧化锌纳米棒/单晶硅的酒精传感器研究

首先采用射频溅射在单晶硅(Si)上制备氧化锌(ZnO)薄膜,作为生长ZnO纳米棒的晶种层,再在水热条件下生长ZnO纳米棒。X射线衍射、X射线能量色散谱,扫描电镜及室温光致发光谱对样品的物相结构、成分、表面微观形貌和晶体缺陷进行了表征。结果表明合成的ZnO纳米棒是六方纤锌矿结构,长径比较高,结晶良好。研究了ZnO纳米棒/单晶Si传感器在空气和酒精气体中的电压-电流(I-V)特性,阻抗谱及响应-恢复时间。该传感器在+6V的偏置电压下,其电阻在0.08g/L酒精气体中下降71%,响应时间小于1min,可以作为一种新型的酒精气体传感器。

ZnO晶体的偏振拉曼散射的深入研究

利用拉曼选择定则,设计了ZnO单晶的直角偏振几何配置。在室温下测量了ZnO单晶的各种振动模式的偏振拉曼散射光谱。与原先的文献相比较,初步讨论了各种振动模式的线宽和强度的变化原因。除ZnO晶体中包括非极性和极性拉曼基频振动,准横光学和准纵光学模式和振动属性被指认外,它们的高阶拉曼散射模式首先被确定。本研究结果为深入了解ZnO晶体和薄膜的宏观性质和微观结构提供了依据。