1、M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y / F e b r u a r y 2 0 0 7 微 纳 电 子 技 术 2 0 0 7 年 第 2 期晶 体 结 构 纤 锌 矿 结 构禁 带 宽 度 / e V 3 . 3 7密 度 / ( g c m- 3) 5 . 6 0 5熔 点 / 1 9 7 5本 征 载 流 子 浓 度 / c m- 31 . 7 1 01 7迁 移 率 / ( c m2 V- 1 s- 1) 2 0 5电 阻 率 / ( c m ) 1 01 2热 导 率 / ( W c m- 1 K- 1)
2、1 . 1 6 0 . 0 8 ( Z n 面 )1 . 1 0 0 . 0 9 ( O 面 )热 膨 胀 系 数 / K- 12 . 9 1 0- 6表 1 Z n O 的 结 构 参 数 及 性 能1 氧 化 锌 的 性 质Z n O 俗 称 锌 白 , 为 白 色 或 浅 黄 色 的 晶 体 或 粉末 , 无 毒 、 无 臭 , 为 两 性 氧 化 物 , 不 溶 于 水 和 乙醇 , 溶 解 于 强 酸 和 强 碱 , 在 空 气 中 能 吸 收 二 氧 化 碳和 水 。 Z n O 为 - 族 化 合 物 , 是 一 种 宽 禁 带 直 接带 隙 半 导 体 材 料 , 室 温 下
3、禁 带 宽 度 为 3 .3 7 e V 。 Z n O为 六 方 晶 系 纤 锌 矿 结 构 , 每 个 Z n 原 子 与 4 个 O 原子 按 四 面 体 排 布 , 其 晶 格 常 数 为 : a = 0 . 3 2 5 n m , c =0 . 5 2 n m 。 Z n O 的 其 他 物 理 化 学 性 质 列 于 表 1 。Z n O 的 激 子 束 缚 能 高 达 6 0 m e V , 比 室 温 热 离化 能 2 6 m e V 高 很 多 , 激 子 不 易 发 生 热 离 化 。 由 于具 有 大 束 缚 能 的 激 子 更 易 在 室 温 下 实 现 高 效 率 的
4、 激光 发 射 , 因 此 与 Z n S e ( 2 2 m e V ) 、 Z n S ( 4 0 m e V )和 G a N ( 2 5 m e V ) 相 比 , Z n O 是 一 种 在 室 温 或 更高 温 度 下 , 具 有 很 大 应 用 潜 力 的 短 波 长 发 光 材 料 。Z n O 具 有 更 低 的 生 长 温 度 , 其 生 长 温 度 只 有 G a N收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 8 - 0 2纳 米 材 料 与 结 构N a n o m a t e r i a l 单 晶 ; 薄 膜 ; 纳 米 ; 掺 杂中 图 分 类 号 : T N 3
5、 0 4 . 2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 1 - 4 7 7 6 ( 2 0 0 7 ) 0 2 - 0 0 8 1 - 0 7R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o f Z n OY A N G L i - p i n g , L I U F e n g , H A N H u a n - p e n g( D e p a r t m e n t o f S e m i c o n d u c t o r M a t e r i a l , T h e 4 6t hR e s e a r c h I n
6、s t i t u t e d o f C E T C , T i a n j i n 3 0 0 2 2 0 , C h i n a )A b s t r a c t : A s a w i d e - b a n d s e m i c o n d u c t o r , Z n O c a n b e u s e d f o r b l u e - g r e e n , b l u e a n d u l t r a v i o l e tl i g h t - e m i t t i n g d e v i c e s , o w i n g t o i t s l a r g e
7、e x c i t o n b i n d i n g e n e r g y a n d l a r g e b a n d w i d t h w h i c he q u a l s t o t h e w a v e l e n g t h o f U V l i g h t . T h e p r o p e r t i e s , f a b r i c a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f Z n O w e r e r e -v i e w e d , a n d t h e r e s e a r c h o n g r o w
8、i n g t h e b u l k s i n g l e c r y s t a l s , n a n o s t r u c t u r e s a n d p - t y p e d o p i n gw e r e i n t r o d u c e d .K e y w o r d s : Z n O ; s i n g l e c r y s t a l ; f i l m ; n a n o m e t e r ; d o p i n g8 1微 纳 电 子 技 术 2 0 0 7 年 第 2 期 M i c r o n a n o e l e c t r o n i c
9、T e c h n o l o g y / F e b r u a r y 2 0 0 7纳 米 材 料 与 结 构N a n o m a t e r i a l 纳 米 Z n O的 表 面 高 活 性 可 以 提 高 催 化 剂 的 选 择 性 能 和 催 化 效率 , 其 优 异 的 紫 外 线 屏 蔽 能 力 使 其 在 涂 料 的 抗 老 化等 方 面 具 有 较 为 突 出 的 特 性 ; 利 用 纳 米 Z n O 制 备出 的 陶 瓷 釉 面 更 加 光 洁 , 具 有 抗 菌 、 防 霉 、 除 臭 等功 效 , 且 可 以 降 低 玻 璃 和 陶 瓷 的 烧 结 温 度 。
10、 在 电 子工 业 中 , Z n O 既 是 压 敏 电 阻 的 主 原 料 , 也 是 磁 性 、光 学 等 材 料 的 主 要 添 加 剂 。 采 用 纳 米 Z n O 制 备 压敏 电 阻 , 不 仅 具 有 较 低 的 烧 结 温 度 , 而 且 能 够 提 高压 敏 电 阻 的 通 流 能 力 和 非 线 性 系 数 等 性 能 。 纳 米Z n O 在 光 学 器 件 中 的 应 用 将 随 着 对 纳 米 Z n O 光 学性 能 的 深 入 研 究 而 取 得 更 大 的 突 破 。3 氧 化 锌 的 制 备3 . 1 Z n O 体 单 晶 的 制 备生 长 大 面 积
11、、 高 质 量 的 Z n O 体 单 晶 对 于 材 料科 学 和 器 件 应 用 都 具 有 重 要 意 义 。 尽 管 蓝 宝 石 一 向被 用 作 Z n O 薄 膜 生 长 的 衬 底 , 但 它 们 之 间 存 在 较8 2M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y / F e b r u a r y 2 0 0 7 微 纳 电 子 技 术 2 0 0 7 年 第 2 期纳 米 材 料 与 结 构N a n o m a t e r i a l ( f ) 为 单 根 纳 米 线 透 射 电 镜 图 。 制 备
12、纳 米 线通 常 都 是 采 用 V L S 生 长 模 式 , 采 用 A u , F e , S n 等金 属 作 为 催 化 剂 , 只 要 催 化 剂 一 直 处 于 液 态 , 并 且原 料 未 耗 尽 , 就 可 不 断 地 获 得 纳 米 线 。B . P . Z h a n g 小 组 1 4 采 用 金 属 有 机 化 学 气 相 沉积 法 在 蓝 宝 石 ( 0 0 0 1 ) 衬 底 上 制 备 了 Z n O 纳 米 管阵 列 , 其 形 貌 见 图 3 。 这 些 纳 米 管 均 沿 着 衬 底 外 延生 长 , 生 长 模 式 为 螺 旋 柱 状 。 在 生 长 过
13、 程 中 反 应 室内 的 压 力 及 温 度 起 到 了 关 键 作 用 。 所 制 备 的 纳 米 管能 够 应 用 到 气 体 传 感 器 、 太 阳 能 电 池 、 能 量 存 储 器等 设 备 中 。如 图 4 所 示 , 中 国 科 技 大 学 J i a n s h e n g J i e ,G u a n z h o n g W a n g 等 人 1 5 在 无 掺 杂 的 Z n O 薄 膜 上合 成 了 高 密 度 的 规 则 排 列 的 Z n O 纳 米 棒 阵 列 , 此纳 米 棒 具 有 垂 直 于 衬 底 的 高 度 取 向 。 其 喇 曼 散 射 谱显 示 了
14、 纳 米 棒 的 高 纯 度 和 近 乎 无 缺 陷 的 结 构 。 Z n O纳 米 棒 平 坦 及 光 滑 的 表 面 结 构 对 n m 尺 度 的 激 光 发射 起 到 了 良 好 的 作 用 。此 外 还 有 些 小 组 采 用 固 相 - 气 相 法 、 热 蒸 发 法 、化 学 气 相 法 等 制 备 了 Z n O 纳 米 环 、 纳 米 带 及 纳 米针 阵 列 等 纳 米 结 构 1 6 - 1 8 , 其 形 貌 见 图 5 。 Z n O 纳 米结 构 在 介 观 物 理 和 纳 米 器 件 中 具 有 独 特 的 应 用 , 为人 们 研 究 物 质 的 电 学 、
15、热 传 导 、 机 械 等 性 能 和 维 度的 关 系 提 供 了 一 种 理 想 的 研 究 对 象 , 已 经 成 为 目 前国 内 外 研 究 人 员 关 注 的 焦 点 。纳 米 器 件 具 有 尺 寸 微 小 、 功 耗 小 、 反 应 灵 敏 等图 2 Z n O 纳 米 线 形 貌 图( f )( d ) ( e )( c )( a ) ( b )图 3 Z n O 纳 米 管 形 貌 图( d )( c )( b )( a )1 m5 m1 m1 m8 4M icronanoelectronic Technology/February 2007 微纳电子技术 2007 年第 2 期图 4 ZnO 纳米棒阵列及其喇曼散射谱纳米材料与结构Nanomaterial 刘 锋 ( 1 9 6 9 ) , 男 , 天 津 人 , 中 国 电 子 科 技 集 体 公 司 第 四十 六 研 究 所 高 级 工 程 师 , 主 要 从 事 半 导 体 材 料 的 制 备 与 研 究 ;韩 焕 鹏 ( 1 9 8 2 ) , 男 , 哈 尔 滨 人 , 中 国 电 子 科 技 集 体 公 司 第四 十 六 研 究 所 助 理 工 程 师 , 主 要 从 事 半 导 体 材 料 的 制 备 与 研 究 。( 上 接 第 6 9 页 )8 7