氧化锌块状、薄膜和纳米晶体的制备及性质研究

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2、据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：赳导师签名：地日期：竺剑山东大学博士学位论文中文摘要氧化锌(Zn0)晶体材料作为最重要的光电子材料之一在当今高科技领域日益受到重视。氧化锌晶体因为zn0；四面体的不对衬分布，高的介电常数和大的机电耦合系数，使其具有良好的压电性能；由于znO能带间隙(3．37eV)介于6H—SiC(3．0eV，2K)和GaN(3．5eV)之间，又是理想的宽带半导体材料；还因其高的激子激活能(60Me

3、V)和受激可产生紫外辐射而在激光器光储能方面应用前景广阔。所以Zn0作为电子材料不仅广泛地应用于压电传感器、压敏器件、发光器件和高质量催化剂等方面，还将不断满足对于短波光学器件及高能高频电子设备的需求。特别是氧化锌不仅在波长方面比氮化镓有特点，而且在价格和寿命等方面有优势。优质大尺寸zn0晶体的研制将使其作为高质量的外延衬底材料而带动半导体激光管(LD)和高亮度发光管(LED)技术工艺的巨大发展，促进显示和照明模式的变革。而ZnO薄膜具有外延生长温度低，有利于降低设备成本，易于实施掺杂等优异特性使

4、其在表面声波、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。随着各种新制备方法的发展成熟和P型掺杂等关键技术的实现，ZnO薄膜作为一种新型的光电材料获得更大的发展潜力。纳米半导体材料的制备和性能研究近几年已成为多学科交叉研究的热点。纳米氧化锌由于其特殊体积效应和表面效应而在光、电、磁力学和化学等各方面更是具有普通氧化锌材料无法比拟的特性和用途，在工业各领域具有十分广阔的应用前景。探索新型而简便的方法合成优质纳米材料是材料科学所面临的重任。在本文中，我们以氧化锌晶体这种重要的光电材料作为研究对象，分别制备了Z

5、nO单晶体、ZnO薄膜和ZnO纳米晶，并对其结构特性和材料性能进行了深入的研究和讨论。～、氧化锌单晶的生长学研究。采用水热温差法，采用双温区高压反应釜，使用黄金内衬(巾35cm山东大学博士学位论文X2cm)，矿化剂分别使用KOH、NaOH、Na2C03和LiOH生长ZnO单晶，采用生长温度330．3800c，温差15．35oC，溶液填充度72．80％，在高温炉中恒温加热12—20天，生长出了毫米级的透明氧化锌单晶，最大单晶可达5mm×4．5mmX6mm。使用黄金内衬前后的结果表明使用贵金属内衬可以

6、有效阻止釜内壁杂质的进入。实验中对水热条件下温度、温差、填充度、矿化剂种类和浓度等因素对于ZnO晶体的结晶速度的影响进行研究和讨论，结果表明，提高生长温度、温差、填充度，晶体生长速度会加快。提高溶液的碱度，也可提高ZnO晶体的生长速度。研究发现实验中必须对温差和填充度进行合理选择，温差和填充度过小，生长速度太慢；过大，则会造成晶体的缺陷和增大对设备的压力。实验中对产生缺陷的原因进行探索，认为晶体在生长过程中缺陷的产生主要是由物质条件和工艺条件两方面的因素造成的，并制定出减少晶体缺陷的措施。本文还进

7、行了使用助熔剂法生长氧化锌晶体的尝试，并对生长结果进行了比较。二、氧化锌晶体的结构、形貌及性质研究水热法生长的晶体的几何外形看一般较为规则，多数呈现六方柱、六方锥及两者的聚形体，经常显露的晶面为锥面{10TI)、柱面{10_0)、负极面{0001)。正极轴[000l】方向的生长无论对于结晶速度还是结晶形貌都具有决定作用。如果正极轴[0001]方向生长速度与其它方向一致，则正极面{000l}与负极面{oooT)同时显露，整个晶体形貌为粒状或短柱状，随着正极轴[o0011方向生长速度相对于其它方向速度

8、的加快，晶体将会呈现六方柱和六方锥两者的聚形体、六方锥形直至细长针状。水热条件下温度、温差、填充度、矿化剂种类和浓度等因素对于ZnO晶体的结晶形貌都会产生影响。实验发现在矿化剂种类及其浓度一定时，提高生长温度，晶体形貌会发生较大变化，即晶体沿C轴长度逐渐减小，锥面和正负极面逐渐显露，结晶程度逐渐趋向完整，粒度分布趋向均匀。从外观上看晶粒的形态发生由针状、长柱状经六方锥体向短六方柱、粒状的变化。填充度增大，根据水的P．T．V曲线釜内压力增6山东大学博十学位论文大，ZnO的溶解度随压力