超薄壁氧化锌单晶微米管的制备与掺杂

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ZnO是第三代半导体材料的代表之一,因为其本身具有优异的光电性能而倍受关注,ZnO在形成高效稳定的紫外/蓝光LED、紫外激光输出、光电探测器、透明导电氧化物电极、太阳能电池、气体传感器和场效应晶体管等方面有很广泛的应用。近些年来,具有正六边形横截面几何结构的ZnO微米棒/管引起了人们的广泛关注,它可以提供一种用于微米/纳米光子学研究的ZnO的新型多功能平台。例如,微米尺寸的ZnO棒/管可以作为,集紫外光致发光和多重共振模式的紫外激光于一体的光学微腔,通过在六边形的管状微米管中的全内反射可以实现光学回音壁模式(WGM)的增强,提高了基于ZnO的微腔的Q值,从而可以实现低阈值的紫外激光输出。首先,本文通过光学气相过饱和析出(OVSP)的方法,成功实现了<0001>取向的超薄壁ZnO单晶微米管的生长。通过探索实验条件,陶瓷棒的预烧温度为600℃--800℃,利用光学浮区炉(10000H-HR-I-VPO-PC,Crystal Systems),其满额功率为6000W,采用60%的功率(即60%@6000W),在光学浮区炉中保温时间9小时,得到了具有完整形貌的超薄壁氧化锌单晶微米管,其壁厚仅为450nm,直径为75-250um。初步揭示了通过光学气相过饱和析出方法生长超薄壁微米管的机制。这种超薄壁的氧化锌单晶微米管结晶性良好,可以实现低阈值的紫外激光输出,目前还未见过这种薄壁结构的氧化锌材料的报道。另外,为了提高制备的效率,节约能耗,本文还提出了一种节能、快速生长氧化锌微米管的工艺---原位光学气相过饱和析出法(IOVSP)生长超薄壁ZnO微米管,首先在光学浮区炉中使用30%的灯功率进行6小时的光学预烧,然后将灯功率直接增加到60%用于微米管的生长,最终生长出的微米管表面光滑,结构完整,具有完整的六边形端面,壁厚约为500 nm。这种节能、快速生长氧化锌微米管的工艺,比光学气相过饱和析出(OVSP)的方法生长效率提高了近三倍,提供了一种省时的简便方法来生长高质量的超薄壁ZnO单晶微米管,不仅实现了能源的节约利用,还为实现其工业化生产创造了有利条件。最后,本文在生长出的超薄壁ZnO单晶微米管的基础上,还进行了金属元素Al的掺杂,我们提出了一种新的固相法,实现了Al掺杂的ZnO微米管,并且通过掺杂,成功的将微米管的导电性提高了近十倍(未掺杂的超薄壁氧化锌微米管的电阻率为10-2?·cm)。Al掺杂的ZnO单晶微米管的形貌和微管结构与未掺杂的微米管相似,通过掺杂不会破坏微米管特殊的正六边形横截面的光学微腔结构。通过EDS,XRD,Raman和温度依赖的光致发光分析证实Al3+取代ZnO晶格中的Zn2+位点和Zn(0/-1)空位,作为施主能级的Al掺杂提供了大量的自由电子来增加载流子浓度,使得Al掺杂的ZnO微米管的电阻率降低到10-3?·cm,比未掺杂的微米管的电阻率降低了一个数量级。本文的工作为管状ZnO元件的掺杂提供了一种新的方法,提高了ZnO微米管的光电性能,并揭示了掺杂后的微米管在光电子器件的应用中存在着巨大潜力。
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