王 志，李方澤

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

關(guān)于準(zhǔn)一維ZnSe納米結(jié)構(gòu)的合成與應(yīng)用

王 志，李方澤

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

硒化鋅是Ⅱ－Ⅵ族中重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為2.7 eV，是理想的藍(lán)光探測(cè)器材料。準(zhǔn)一維ZnSe納米結(jié)構(gòu)的合成有多種，如納米帶、納米線、納米棒等。由于納米材料與薄膜材料相比具有表面積大、量子效應(yīng)等獨(dú)特的物理及化學(xué)特性，使得基于納米材料的納米器件在過(guò)去的幾年內(nèi)被廣泛的制備與研究。目前準(zhǔn)一維ZnSe納米材料已經(jīng)制備出多種納米器件，文中將對(duì)ZnSe納米結(jié)構(gòu)的合成以及應(yīng)用作介紹。

硒化鋅;納米結(jié)構(gòu);器件

準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)(如納米線［1］，納米帶［2］，納米棒［3］)的合成、摻雜被廣泛的關(guān)注與研究。納米材料具有大的比表面積、高的表面活性以及氣體相互作用強(qiáng)，對(duì)周圍環(huán)境十分敏感等這些奇特的物理化學(xué)性質(zhì)，使得基于納米材料的納米電子和光子器件有著廣泛的應(yīng)用前景，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為下一代納米光電器件的潛在基石。

ZnSe作為Ⅱ－Ⅵ族半導(dǎo)體材料，在室溫下禁帶寬度為2.7 eV［4］，這些特性使得其在高性能的發(fā)光二極管(LED)［5］、短波激光器［6］以及其他光電探測(cè)器等方面具有潛在的應(yīng)用。目前，由ZnSe納米材料制備的納米器件有很多種。比如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、光電探測(cè)器，p－n結(jié)等器件。

1 準(zhǔn)一維ZnSe納米材料的合成

1.1 納米線的合成

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是準(zhǔn)一維半導(dǎo)體納米材料常用的合成方法之一。在合成的過(guò)程中通過(guò)控制腔內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，氣體的流量，加熱時(shí)間以及溫度等來(lái)調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的形貌、大小、粗細(xì)等。Song等人［4］在三溫區(qū)管式爐中通過(guò)用傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法在5 nm厚的蒸金硅片，通過(guò)控制腔內(nèi)溫度在1 050℃，壓強(qiáng)在100 mbar，生長(zhǎng)2 h的ZnSe納米線，如圖1所示。

圖1 ZnSe納米線的掃面電子顯微鏡圖片

1.2 納米帶(Nanoribbon)的合成

制備納米結(jié)構(gòu)的另一種方法是濕化學(xué)法(Wetchemical Routes)。所謂濕化學(xué)法是有液相參加，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備的納米材料的方法，如化學(xué)液相沉積、電化學(xué)沉積等。Wang等人［2］通過(guò)在水合肼和二乙醇胺的混合液中，在140℃對(duì)硒和鋅粉末用溶劑熱處理并保持24 h在鋅襯底上制備了大規(guī)模ZnSe納米帶陣列。他還指出ZnSe納米結(jié)構(gòu)的形貌完全依賴水合肼和二乙醇胺的混合比例，制備出來(lái)的納米帶的厚度40 nm，長(zhǎng)度 50 μm，厚度 100 nm。如圖 2 所示。圖2(a)和圖2(b)為ZnSe納米結(jié)構(gòu)的掃面電子顯微鏡;圖2(c)是電子能譜;圖2(d)～圖2(g)為ZnSe納米結(jié)構(gòu)的高分辨以及選區(qū)電子衍射。

圖2 ZnSe納米結(jié)構(gòu)的掃面電子顯微鏡、電子能譜、高分辨以及選區(qū)電子衍射

1.3 納米棒的合成

模板法(Template Synthesis)是制備一維納米材料的方法之一，是通過(guò)物理或化學(xué)方法將相關(guān)材料沉積到模板的孔中，然后轉(zhuǎn)移得到納米材料的過(guò)程。這種方法適合準(zhǔn)一維納米材料的批量生產(chǎn)，在電子平板領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Lü等人［3］利用表面活性劑軟模板法制備了單晶ZnSe納米帶，其直徑和長(zhǎng)度分別在16～20 nm和120～270 nm。如圖3所示，圖3(a)為ZnSe納米帶的掃描電子顯微鏡圖;圖3(b)是ZnSe納米帶的高分辨，插圖為選區(qū)電子衍射。

圖3 ZnSe納米帶的掃描電子顯微鏡和高分辨圖

2 準(zhǔn)一維ZnSe納米材料的摻雜

為提高納米材料的電學(xué)和光學(xué)應(yīng)用，可控的n型和p型摻雜是有必要的。因?yàn)楸菊鞯募{米材料在一定溫度下只能通過(guò)本征激發(fā)產(chǎn)生載流子，而這種載流子的作用較小。因此納米材料的摻雜將是制備納米器件的前提條件。

n型和p型ZnSe納米材料的摻雜:n型半導(dǎo)體是摻入施主雜志，施主雜質(zhì)電離后產(chǎn)生多余的載流子，其主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電。而p型半導(dǎo)體是摻入受主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后產(chǎn)生多余的空穴，其主要依靠空穴導(dǎo)電。由于n型半導(dǎo)體電子濃度依賴導(dǎo)帶底的位置，p型空穴濃度則依賴價(jià)帶頂?shù)奈恢茫瑢?duì)于ZnSe其導(dǎo)帶底較低而價(jià)帶頂也較低，因此使得p型ZnSe納米材料易于實(shí)現(xiàn)n型摻雜而不易實(shí)現(xiàn)p型摻雜。目前報(bào)道的n型 ZnSe摻雜主要有錳［7］、銀［8］、銅［9］等。而 p 型高濃度的摻雜卻較少報(bào)道。因此克服p型摻雜實(shí)現(xiàn)高濃度的p型納米材料也是值得研究的問(wèn)題。n型和p型的摻雜實(shí)現(xiàn)為制備納米異質(zhì)結(jié)、納米同質(zhì)結(jié)以及互補(bǔ)性納米器件打下基礎(chǔ)。

3 準(zhǔn)一維ZnSe納米材料的應(yīng)用

隨著芯片制造技術(shù)的不斷突破，基于納米材料的納米器件已被廣泛研究，從第一個(gè)納米晶體管的誕生，科學(xué)家已經(jīng)在努力將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)集成電路的特定功能。近幾年來(lái)，隨著納米材料的多樣化合成，納米器件也呈多樣化出現(xiàn)。如場(chǎng)效應(yīng)器件(MOSFET、MESFET)、傳感器、光電探測(cè)器件等。

3.1 納米場(chǎng)效應(yīng)器件

場(chǎng)效應(yīng)器件(FET)是通過(guò)控制柵極電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)源漏電流的控制。納米場(chǎng)效應(yīng)器件是電子器件的最基本單元，是納米邏輯電路的制造基礎(chǔ)，目前各種納米場(chǎng)效應(yīng)器件被研制成功。Zhang等人［10］通過(guò)在化學(xué)氣相沉積合成p型ZnSe納米材料的同時(shí)，還研究了ZnSe納米器件的場(chǎng)效應(yīng)特性以及退火對(duì)納米材料的影響。并通過(guò)輸出特性曲線進(jìn)一步確定了Bi摻入ZnSe納米材料中，使得材料表現(xiàn)出p型特性。如圖4(a)所示在不同溫度下退火對(duì)電學(xué)信號(hào)的影響，插圖為器件的掃描電子顯微鏡圖;圖4(b)是場(chǎng)效應(yīng)器件的輸出特性曲線，插圖為轉(zhuǎn)移特性曲線。

由金屬半導(dǎo)體組成的晶體管(MESFET)在未來(lái)的納米光電器件應(yīng)用中會(huì)起到較大的作用，這種結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的器件，在于源漏電流是通過(guò)肖特基刪來(lái)控制，這種結(jié)構(gòu)的器件因其制作簡(jiǎn)單而被廣泛采用。Zhang等人［10］還研究了基于p型ZnSe納米帶高性能的納米肖特基場(chǎng)效應(yīng)器件，開關(guān)比可達(dá)到 103。圖5(a)為器件結(jié)構(gòu)示意圖;圖5(b)為肖特基電流電壓特性曲線;圖5(c)為輸出特性曲線;圖5(d)為轉(zhuǎn)移特性曲線。

3.2 納米傳感器

隨著納米器件的小型化，相比于傳統(tǒng)傳感器所表現(xiàn)出來(lái)的微型化，靈敏性以及擴(kuò)散性等方面的特性尤為明顯，因此給納米傳感器的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。目前納米傳感器研究也取得新進(jìn)展，Leung等人［11］研究的準(zhǔn)一維 ZnSe納米濕度傳感器，在相對(duì)濕度為11.3%～97.3%范圍內(nèi)成線性響應(yīng)，而且比一般響應(yīng)靈敏度要高。圖6(a)所示為不同濕度下傳感器的電流電壓特性曲線，插圖為濕度在97.3%時(shí)的電流電壓曲線;圖6(b)是傳感器電阻與濕度的關(guān)系圖。

3.3 納米光電探測(cè)器

圖6 傳感器電流電壓特性曲線、電阻與濕度關(guān)系圖

由于納米材料有較大的比表面積以及與德拜長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)某叽绲忍匦?，一維納米結(jié)構(gòu)易受其表面狀態(tài)的影響，具有較高的靈敏度，因此很多傳感器是基于這個(gè)原理研制成功。Fang等人［12］通過(guò)用三元溶液的輔助技術(shù)制備了ZnSe納米帶，并基于此材料研制了高性能的藍(lán)光－紫外光電探測(cè)器。這種ZnSe納米探測(cè)器顯示出具有較高的光敏感度以及超快的光電轉(zhuǎn)換速度，其相應(yīng)速度＜0.3 s。圖7(a)所示是ZnSe納米光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖;圖7(b)為納米帶器件的掃描電子顯微鏡;圖7(c)為在400 nm波長(zhǎng)與無(wú)光條件下的電流電壓特性曲線;圖7(d)是光電探測(cè)器在不同波段下的光響應(yīng)。

圖7 ZnSe納米光電探測(cè)器

4 結(jié)束語(yǔ)

ZnSe作為重要的Ⅱ－Ⅵ族寬禁帶半導(dǎo)體之一，它的本征激發(fā)波長(zhǎng)約為460 nm。正式這些優(yōu)越的電學(xué)和光學(xué)性能被廣泛的研究，ZnSe納米材料的合成方法以及形貌多種多樣。ZnSe的n型和p型摻雜使得基于納米材料的器件的電學(xué)和光學(xué)性能有很大提高。也正因此被廣泛應(yīng)用于各種納米場(chǎng)效應(yīng)器件、光電探測(cè)器件、以及發(fā)光二極管等。

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Synthesis and Applications of One-dimensional ZnSe Nanostructures

WANG Zhi，LI Fangze
(School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

ZnSe as one of the most importantⅡ-Ⅵ semiconductors has wide direct band-gap of 2.7 eV at room temperature，which is also a suitable material of Blue-light detector.One-dimensional ZnSe nanostructures are synthesized and nanodevices based on these nanostructures have been intensively studied in the past decade due to surface-to-volume rations，quantum effect and unique physical and chemical characteristics.Recently，a wide range of nanodevices based on ZnSe nanostructure have been fabricated.In this paper，the synthesis of nanostructure and the applications of nanodevice based on nanostructure are presented.

ZnSe;nanostructure;devices

TN304.1+3

A

1007－7820(2012)08－073－04

2012-02-18

王志(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:電子功能材料與器件。李方澤(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:電子功能材料與器件。