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ZnO纳米线及其器件研究进展

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MicronanoelectronicTechnologyVol.45No.10 October2008ZnO纳米线及其器件研究进展谌小斑,贺 英,张文飞(上海大学材料科学与工程学院高分子材料系,上海 201800)摘要:介绍了氧化锌(ZnO)纳米线(NW)的性质,总结了ZnONW的气相法、液相法、模板生长法、自组装法等制备原理和方法,详细阐述了ZnONW基光电、压敏和气敏等纳米器件的研究现状,如在发光二极管、太阳能电池、紫外激光器、纳米发电机、气敏传感器的应用现状。分析了目前ZnONW器件实用化进程中难以解决的p型掺杂等方面的问题及其在荧光探针、稀磁半导体材料和自旋电子器件等方面的研究和应用趋势,指出今后的研究及发展方向主要将集中在ZnO缺陷形成及作用机理的研究,ZnONW荧光探针的制备及其在生物医学上的应用,不同结构的ZnO超晶格和多量子阱的制备及其在自旋电子器件中的应用。关键词:氧化锌纳米线;纳米器件;光电器件;压敏器件;气敏器件中图分类号:TN304.21;TN303 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2008)10-0590-07ProgressinZnONanowireandNanodeviceChenXiaoban,HeYing,ZhangWenfei(DepartmentofPolymerMaterial,SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai201800,China)Abstract:ThepropertiesofZnOnanowire(NW)areintroduced,andtheprinciplesandmethodsofpreparingZnOnanowiresarereviewed,includingvapormethod,liquidmethod,templategrowthmethod,self-assemblemethodandsoon.Thestatuesofoptoelectronicdevices,pres-sure-sensitivedevicesandgas-sensitivedevicesbasedZnONWaredescribedindetail,suchaslight-emittingdiode(LED),solarcell,ultravioletlaser,nanogeneratorandgassensor.ThedifficultiesresolvedinpracticalapplicationofZnONWdevices,suchasdopedp-typeZnO,areanalyzed.Thetendenciesoffluorescentprobe,dilutedmagneticsemiconductormaterialsandquantumspindevicesbasedZnONWareforecasted.ItisindicatedthatthefollowingresearcheswillbefocusedonthedefectformationandfunctionmechanismofZnO,preparationandapplicationofZnONWfluorescentprobe,researchofZnONWsuperlatticeandquantumwellwithdifferentstructuresanditsapplicationsinquantumspindevices.Keywords:znicoxidenanowire(ZnONW);nanodevice;optoelectronicdevice;pressure-sens-itivedevice;gas-sensitivedeviceEEACC:2560;2520E0 引 言氧化锌是一种新型的Ò-Ö族直接带隙半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,发射波长和GaN一样处于紫外波段。与GaN相比,ZnO不仅有很多类似的性质,还有一些自身的优点:ZnO的激子束缚能为60meV,是GaN(26meV)的2倍多,因此室温下激子稳定,更利于实现高效收稿日期:2008-05-12基金项目:上海市教委重点科研项目(078813)E-mail:yinghe@staff.shu.edu.cn590纳米材料与结构Nanomaterail&Stucture2008年10月 微纳电子技术第45卷第10期率的发光器件。近年来纳米ZnO是纳米材料中结构最为丰富的一种材料,包括纳米线[1-2]、纳米管[3-4]、纳米棒[5]、纳米带[6-7]、纳米梳[6]、纳米弓[7]、纳米弹簧[7]等都已先后制备成功,并有望在纳米光电器件[8-10]、压电器件[11-12]、气敏传感器[13-15]等领域得到广泛应用。ZnO既是半导体材料又是压电材料,在nm尺度出现量子限域、小尺寸效应等新性质,使其成为低维结构研究领域的热门课题。本文对ZnONW在发光二极管、太阳能电池、紫外激光器、纳米发电机、气敏传感器等方面的应用做了较详细的阐述。1 ZnO的基本性质ZnO晶体共有六角纤锌矿结构、四方岩盐矿结构和闪锌矿三种结构。六角纤锌矿结构在常温下是稳定相,也是应用前景最为广阔、研究最为深入的一种结构,对ZnO纳米材料的探讨也主要围绕纤锌矿结构进行。ZnO导带为类S态并具有#7对称性,价带为类P态,由于自旋轨道与晶体场的相互作用分裂成A、B、C共3个双重简并能级。关于价带的对称性,1999年D.C.Look等人[16]在高质量ZnO单晶发射谱中首次观察到本征激子跃迁,并且通过对这些激子谱性质的研究,得到A、B、C的对称性依次为#9、#7、#7。表1给出了ZnO的一些基本参数,ZnO属P63mc空间群。表1 室温下ZnO的基本参数Table1 BasicparametersofZnO 量名称 量/单位数 值晶格常数a,c/nm0.325,0.520禁带宽度Eg/eV3.37激子束缚能E/eV60密度Qv/(g#cm-3)5.642熔点t/e1975莫氏硬度HM4.5热导率K/(W#cm-1K-1)1.16?0.081.10?0.09本征载流子浓度ni/cm-31.7@1017抗辐射能Q/MeV2电阻率Q/8#cm10122 ZnONW的制备根据生长和控制方式的不同,ZnONW的制备方法有气相生长法、溶液生长法、模板生长法和自组装生长法。使用不同的制备方法、生长条件和工艺过程,所得到的ZnONW形貌、结构差别很大,对其性能(如光电性能)的影响也很大。2.1 气相生长法气相法主要是指在制备过程中,源物质是气相或者通过一定的过程转化为气相。气相法制得的产物比较纯、直径较小、单分散性好、易得到超细的均匀线径,产率较高,但是反应条件苛刻,要求高温高能量,工艺技术复杂,能耗大,设备昂贵,成本较高。根据其源物质转化为气相的途径和方式的不同,气相法主要包括气相沉积法[17-21]、气相传输法[22-23]、激光烧蚀法(LPA)[24-25]、直接热蒸发法、分子束外延法(MBE)等。2.1.1 气相沉积法气相沉积法又可分为物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、脉冲激光沉积法(PLD)等。PVD是直接将高纯度的ZnO高温加热使其挥发并在预期的基底上沉积,不通过化学反应直接得到NW的方法。此法不使用任何催化剂或添加剂,产物纯净无杂质,但是生长效率和对产物形貌的控制稍差。CVD利用高温物理蒸发或有机金属化合物的气相反应,通过气体传输,可使反应物沉积到低温衬底上并生长为一维结构,生长过程一般遵循Wagner和Ellis提出的气-液-固法(VLS)生长机理,这是传统的生长一维材料的方法。在NW生长过程中,先形成催化剂金属(Au、Ag等)与纳米材料的低共熔合金液滴,此液滴吸收气相反应物形成晶核。液滴中反应物饱和时,NW开始生长,系统冷却后,合金液滴固化在NW的顶端[17]。2004年,K.Yamamoto等人[1]在沉积了Cu的Si衬底上制备出直径为10nm到几百纳米,长度可达10Lm的ZnONW。实验发现ZnONW在薄膜的低洼处(小坑)生长,而不是在Cu颗粒上,这表明Cu在此并不起催化剂的作用。当使用未沉积Cu的Si衬底时,所得结论是相同的。小坑在ZnONW的生长中起着重要作用,因为衬底表面的温度比坩锅的温度稍高,沉积在衬底上的大多数Zn迅速蒸发,而在小坑中的Zn数量比其他区域更591 谌小斑等:ZnO纳米线及其器件研究进展 MicronanoelectronicTechnologyVol.45No.10 October2008多,因此Zn和O2的反应主要是发生在小坑中,生成针状的ZnO晶核,ZnONW开始沿[001]方向生长。Y.J.Chen等人[2]在N2气氛中采用ZnO、C粉末,分别在Al、石英、不锈钢衬底上,高速气流下制备出ZnONW;而在低速气流中,由于ZnO气体在局部的压力更高,制得的ZnO为纳米颗粒。对ZnONW进行的光致发光光谱测量发现,在482nm处出现弱的发射峰。P.C.Chang等人[18]在不使用掺杂剂、Au催化剂的情况下,制备出高载流子浓度的n型ZnONW,其阈值电压分别为-15.5、-1.3V,阈值电压下相应的载流子浓度分别为7.46@107、5.64@106cm-1。M.C.Jeong等人[19-20]通过MOCVD法制备了ZnONW。As掺杂的ZnONW可通过后生长热处理过程在GaAs衬底上制备,为p-ZnONW的制备提供了可行的制备方法。实验发现,通过选用不同的工作压力、衬底温度、生长时间等条件,可对ZnONW的尺寸进行调控。M.Lorenz等人[21]用高压PLD在无催化剂作用下,镀金的石墨单晶基体上制备出MgxZn1-xONW。PLD方法可用于控制MgxZn1-xONW的形态、直径、组成。ZnONW的直径可控制在50~3000nm,Mg含量x可通过PLD的气压来控制,并可通过分析阴极发光谱的激子峰能量来确定。2.1.2 气相传输法气相传输法是将位于源区的ZnO原料高温加热变为气体,传输至温度低的生长区实现晶体生长。一般源区须有足够高的温度以产生化学激活、高的气体压力以及保持源区与生长区足够大的温度梯度以增加气体传输效率。此外,生长区要有适当的温度以使沉积的原子具有高的扩散迁移率,实现单晶生长。Y.X.Chen等人[23]在不同温度区域制备出了ZnO纳米梳、纳米薄片和NW。生长机理主要是VLS和VS(气-固)机理。950~980e温度下得到的是双边ZnO纳米梳,VS机理占主导作用;当温度下降到820~950e,制得的是单边ZnO纳米梳和纳米薄片,是VLS和VS机理共同作用的结果;在710~820e制得的是ZnONW,生长机理为VLS。2.1.3 射频溅射法射频溅射法主要是采用射频磁控溅射仪,把基底固定于基片架上,溅射的靶材由Zn的复合物组成,在反应室内调整适当的靶基距、温度、气压、气体比率以及射频功率,在Si基底上沉积了金属Zn复合物基质;然后在高温石英炉内热氧化处理,通过空气的氧化,使Zn复合膜转变成ZnONW。2.1.4 直接热蒸发法直接热蒸发法操作简单,反应过程较安全,不需SiH4、H2等易燃易爆有毒气体,直接在高温下蒸发ZnO就可以合成ZnONW。其缺点是相对于传统的CVD方法来说,CVD法可通过改变催化剂颗粒的径向尺寸方便地控制NW的直径,而直接热蒸发法却由于没有催化剂则较难控制NW直径。H.B.Cheng等人[25]将ZnO放在封闭的环境中,高温蒸发并在不同的热蒸发条件下制备了ZnO微米管、微米棒、NW和纳米带等结构。实验发现基体、温度、催化剂对ZnO形貌影响很大。XRD分析表明,制备的ZnO是纯净的、结构规整的单晶。PL光谱显示在377.8nm处有一强的近禁带发射峰,在392~395nm处也检测到一小的肩峰,这可能是由晶体中的氧空位造成的。2.2 液相生长法液相法具有反应条件相对温和、设备简单、成本低廉的优点,但受溶液环境(如pH值、各组分浓度)的影响,组分比较复杂,产物形貌难控制,极易团聚与相互缠绕。根据生长方式和环境的不同,液相法主要有水热法[26]、微乳液法、电化学沉积法[27-29]、溶剂热法[30]等。水热法早在上世纪70年代就用来制备晶体。此法主要是以金属盐、金属有机物的水溶液为前驱体液,在密封的压力容器、一定的温度压力下通过进行水溶液反应而制取样品。水热法的特点是制备的粒子纯度高、分散性好、晶型可控制,尤其是粒子的表面能低、团聚少。Y.Sun等人[26]在涂有ZnO薄膜的Si衬底上制备了ZnO纳米管/NW阵列,通过控制前驱体的浓度,可以控制ZnO的含量。ZnONW的直径为10~30nm,长数微米。作者还研究了ZnONW分别在O2和真空中退火和未退火的PL光谱。真空中退火的ZnO的UV发光强度急剧增加(约4倍),而可见光发光强度相应减弱;在O2中退火的ZnO两个峰的强度都同时减弱。ZnONW表面有一损耗层,是由表面吸附的592 谌小斑等:ZnO纳米线及其器件研究进展

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ZnO纳米线的快速生长机理及其场发射性能研究

ZnO纳米线的快速生长机理及其场发射性能研究

第３３卷第９期　

２０１８年９月　液晶与显示　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｉｓｐｌａｙｓ　ＶｏｌＩ３３　Ｎｏ．９　

Ｓｅｐ．２０ｉ８　

文章编号：１００７—２７８０（２０１８）０９—０７５８—０６　

ＺｎＯ纳米线的快速生长机理及其场发射性能研究　

郑中华　，林建平　，杨　智。　

（１．福建师范大学协和学院，福建福州３５０１０８；　

２．厦门理工学院福建省功能材料及应用重点实验室，福建厦门３６１０２４；　

３．西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室，陕西西安７１００４９）　

摘要：为了快速制备具有优良场发射性能的ＺｎＯ纳米线，对ＺｎＯ纳米线的生长机理及场发射性能进行研究。首先采用　优化的两步法制备出高长径比的ＺｎＯ纳米线，其次采用ＳＥＭ对ＺｎＯ的微观形貌进行表征，然后，在分析形貌特点的基　础上，说明了强碱体系下ＺｎＯ纳米线薄膜的快速生长机理。最后，对典型样品的场发射性能进行了测试。测试果表明，　优化后的两步法，只需３　ｈ即可获得直径为４０￣５０ｎｍ，长度为２．２～２．７　ｍ，长径比高达５４的纳米线。薄膜的开启电场　为３．６　Ｖ／　ｍ，阈值场强为９．１　Ｖ／ｕｍ，场增强因子ｊ９高达３　３９１。研究表明，高ｐＨ值溶液可以加快ＺｎＯ纳米线沿ｃ轴方　向的择优生长，获得高长径比的ＺｎＯ纳米线，进而获得优良的场发射性能。　

关键词：ＺｎＯ；纳米线；生长机理；场发射　中图分类号：Ｏ４６２．４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：ｌＯ．３７８８／ＹＪＹＸＳ２０１８３３０９．０７５８　

Ｒａｐｉｄ　ｇｒｏｗｔｈ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＺｎＯ　ｎａｎｏｗｉｒｅｓ　

ＺＨＥＮＧ　Ｚｈｏｎｇ—ｈｕａ　，ＬＩＮ　Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ弘，ＹＡＮＧ　Ｚｈｉ。　

（１．Ｃｏｎｃｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｆｕｊｉａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０１０８，Ｃｈｉｎａ；　

量子点光电子器件及其研究进展

量子点光电子器件及其研究进展

第２８卷　第２期　２００８年６月　固体电子学研究与进展　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＰＲ０ＧＲＥＳＳ　０Ｆ　ＳＳＥ　Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．，２００８　矿　光电子学　、　量子点光电子器件及其研究进展　彭英才　ＺＨＡ０　Ｘｉｎｗｅｉ。　马蕾　（　河北大学电子信息工程学院，河北，保定，０７１００２）　（　中国科学院半导体研究所，半导体材料科学重点实验室，北京，１０００８３）　（。Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｔｏｋｙｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）　（　中国科学院微电子学研究所，纳米材料与纳米器件实验室，北京，１０００２９）　２００６—０９—３０收稿，２００６—１１－１６收改稿　摘要：作为未来新型光电子器件的有源区材料，采用能带工程形成的各种半导体量子点，以其所具有的许多独　特光电特性而日益显示出潜在的重要应用。着重评述了量子点激光器、量子点红外光探测器和量子点单光子发射　器件在近３至５年内取得的最新进展，并对存在的问题进行了分析和讨论。最后，提出了进一步改善器件性能的几　种可能途径。　关键词：能带工程；半导体量子点；光电子器件；光电子产业　中图分类号：ＴＮ３６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—３８１９（２００８）０２—２３５—０６　Ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｄｏｔ－ｂａｓｅｄ　ｏｐｔ０ｅｌｅｃｔｒ０ｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＰＥＮＧ　Ｙｉｎｇｃａｉ　，　ＺＨＡＯ　Ｘｉｎｗｅｉ。，　ＭＡ　Ｌｅｉ　（　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎ　ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ，０７１００２，Ｃ日Ⅳ）　（　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８３，Ｃ日Ⅳ）　（。Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｌｃｓ，７１０ｋｙｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，７１０ｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）　（　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｎａｎｏ—ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００２９，Ｃ日Ⅳ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｄｏｔｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｅｎｅｒｇｙ—ｂａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｈａｖｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｓ　ａｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　Ｕ—　ｎｉｑｕｅ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｒｅｖｉｅｗ　ｎｅｗ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｕｍ—ｄｏｔ　ｌａｓｅｒｓ，ｑｕａｎｔｕｍ—ｄｏｔ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｕｍ—ｄｏｔ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈｏｔｏｎ—ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　３—５　ｙｅａｒｓ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｕｔ　ｓｏｍｅ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｄｅｖｉｃｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ—ｂａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｑｕａｎｔｕｍ—ｄｏｔｓ；ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ；　０ｐｔ０ｅｌｅｃｔｒ０ｎｉｃ　ｉｎｄｕｓｔｒｉｙ　ＥＥＡＣＣ：４２５０　士　丘　随着纳米科学技术的兴起，尤其是纳米材料与　结构研究的不断深入，以它们为有源区而制作的各　类纳米电子器件和纳米光电子器件，将逐渐成为下　一代微电子器件和光电子器件的自然侯选者。以纳　米ＣＭＯＳ器件、单电子器件、纳米光电子器件和自　基金项目：河北省自然科学基金（５０３１２５）和中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室开放课题资助项目。　联系作者：Ｅ—ｍａｉ

zno纳米线

zno纳米线

ZnO纳米线的研究进展

摘要：ZnO纳米线是很重要的准一维纳米材料。本文主要介绍ZnO纳米线的合成、结构分析、特性和应用。首先，本文讨论了纳米线合成步骤的设计以及分别通过气相和化学生长方法合成纳米线。其次，本文描述了ZnO纳米线独特的光电性能和气敏特性。最后，本文对一些使用纳米线制作的新器件和应用进行了跟踪报道，如超灵敏的化学生物纳米传感器，染料太阳能电池，发光二极管，纳米激光器等。

1. 引言在纳米技术领域，最引人注目并且最具代表性的一维纳米结构主要有三种：碳纳米管、硅纳米线和ZnO纳米线/纳米带。ZnO作为一种优良的纳米材料，已经引起人们很大的兴趣。ZnO作为一种重要的半导体材料，在光学、光电子学、能源、生物科技等方面有广泛的应用（图1）[1]。它所展现出的丰富的纳米结构形态，是其它材料无法比拟的。

图1 ZnO特性和应用的概要[1]

2. ZnO的晶体结构通常情况下，ZnO具备纤锌矿结构，其晶胞为六角形，空间群为C6mc，晶格常数为a = 0.3296nm，c = 0.52065nm。O2-和Zn2+构成正四面体单元，整个结构缺乏中心对称。ZnO的结构可以简单描述为：由O2-和Zn2+构成的正四面体组成的大量交互平面，沿c轴叠加形成的，如图2所示[2]。

图2 ZnO的纤锌矿结构[2]

3. ZnO纳米线的合成氧化物纳米结构的合成主要通过高温下的物理气相生长途径和低温下的化学途径。

3.1 VLS生长纳米线可以应用于制作激光器、发光二极管及场效应晶体管。ZnO纳米线生长需要用到基底和晶体颗粒。大规模优良的垂直ZnO纳米线阵列最早生长在（

1120）晶面取向的蓝宝石基底上，其中用Au纳米颗粒做催化剂[3]。不像通常的VLS过程，纳米线阵列的生长需要适当的生长速率，因为催化剂需要是熔融态，并且构成合金，从而一步步凝结，最后在蓝宝石表面上完成外延生长。因此，需要相对较低的生长温度来减小气体浓度。把ZnO和石墨粉末混合在一起，也就是碳热蒸发，可以把气化温度从1300℃降低到900℃。生长在蓝宝石基底上的ZnO纳米线阵列的典型形态如图3所示，所有的纳米线都垂直于基底表面。 图3 垂直生长的ZnO纳米线的SEM图像（30º倾斜角）[3]

ZnO材料和器件新进展

ZnO材料和器件新进展

２００８年第３期　

的竞争力，费用预计将向低方向发展，而化石燃料的价格预计仍上涨。　

材料挑战　用于硅光伏电池的薄膜聚合物衬底将会通过使非晶硅薄层更加有效地发挥作用而降低　

材料的成本。这些非晶硅薄层只有约ｌｇｍ厚，而不是像传统晶硅晶圆那样厚几百微米。由　

于非晶硅的半导体特性与传统的硅电池不同，因此非晶硅还可以制作得更薄，使电池效率更　

高。然而，制造大面积非晶硅电池的方法极其困难，现有的材料工程面临着很大的挑战。　

与硅太阳能电池相比，碲化镉和铜铟（镓）硒薄膜太阳能电池是两种可以选择的电池，　

它们更适合于薄膜制备和沉积技术。为了应对挑战，私营公司和美国能源部正在研究先进的　

制备和处理技术。　

波音公司的子公司Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ已经证实光伏电池的转换效率可达４０．７％。这些光伏电池　

是由一种新型的变异半导体制造的，据说可以使多结电池设计有更大的自由度使太阳光得到　

最佳的转换。高效率的多结电池在收集系统方面比传统的硅太阳电池有更大的优点，因为很　

少有太阳能电池可以达到相同的功率输出。这一技术将继续显著降低太阳能发电的成本，以　

及材料的成本。　

光伏电池并不是全部答案，但却是能源综合体系中一个重要的组成部分。材料和制备　

工艺是太阳能成功作为电力补充的关键，如果成本能极大地降低甚至会成为主要能源。　

（王凤娥摘译）　

ＺｎＯ材料和器件新进展　

在体单晶生长方面，已能用水热法生长高质量３英寸ＺｎＯ晶片，也开发了布里支曼生　

长法。对于薄膜材料，可用液相外延生长出良好的ＺｎＯ薄层，其它类型的外延材料质量也　

在改进。已观察到量子霍尔效应，光荧光（ＰＬ）线宽窄至１１０　ｕ　ｅＶ。在其杂质表征方面，已　

用放射性示踪法识别出ＰＬ谱中施主束缚激子线Ｉ８和Ｉ９，分别由杂质Ｇａ和ＩＩｌ所致。对更普　

通的杂质Ｈ的理解有所深入，现在从理论和实验上已知道，间隙位Ｈ在室温下是不稳定的，　

本征间隙原子ＺｎｉＯｉ也是如此。某些新结果表明，一般与Ｈ相关浅施主可能是多重束缚Ｈ替