文摘
我们报告的合成氧化锌纳米线(NWs)与不同铟浓度利用热蒸发方法。金纳米粒子作为催化剂,分散在硅片促进氧化锌所在地的增长。高分辨率透射电子显微镜证实了氧化锌NWs增长依赖vapor-liquid-solid机制和能量色散谱检测的原子百分比铟氧化锌所在地。扫描电镜显示,纯氧化锌NWs的直径范围从20到30 nm和氧化锌的直径:在增加与增加50 - 80纳米铟掺杂水平。x射线衍射结果指出的晶体质量高掺杂的氧化锌是NWs铟浓度。光致发光(PL)研究氧化锌NWs展出主要光电发射380海里由于激子的复合near-band-edge (NBE)。此外,PL结果还表明稍微蓝移和PL强度降低氧化锌NBE发射的NWs高铟浓度可以归因于更donor-induced陷阱中心代。
1。介绍
氧化锌是一种最有利的材料为蓝色/ UV-associated光电设备和exciton-related设备应用程序由于宽的带隙(3.37 eV)在室温下和一个大激子的结合能(60 meV)相比,氮化镓(28兆电子伏)1]。近年来,一维半导体纳米光电子设备吸引了太多的关注,如场效应晶体管(fet) [2,3),气体传感器(4,5)、激光(6),和光伏应用程序(7]。一般来说,在宽禁带半导体掺杂经常导致戏剧性的电气和光学性质的变化。透明的导电氧化锌薄膜可以增加与第三组阳离子掺杂元素,如B,艾尔,Ga,。(8]。在这些具有不同掺杂物的氧化锌,In-doped氧化锌薄膜显示类似的导电性和更好的透明度在可见和红外区域相比,氧化铟锡。因此,氧化锌:可广泛用作透明导体在光电应用程序(9,10]。氧化锌展品n型半导体行为由于原生缺陷包括锌插页式广告、氧空位或氢插页式广告。这很难理解主要影响更多的掺杂物的氧化锌的结构和光电性质。通常情况下,氧化锌掺杂铟(> 1%)平衡(电线、腰带和棒)利用热蒸发法合成了纳米结构(11和溶胶-凝胶法12)方法,最近。尽管许多文献显示主要材料氧化锌的性质,然而,相关的报道与低铟掺杂氧化锌纳米结构平衡浓度仍少之又有限。在这篇文章中,我们成功地合成氧化锌:在纳米线(NWs)与不同铟掺杂浓度比较使用金纳米粒子作为催化剂涂层的硅基板。铟浓度的影响在结构和光学性能的氧化锌和氧化锌:在NWs进行了扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、x射线衍射(XRD),能量色散谱(EDS),选定区电子衍射(SAED)、光致发光(PL)。一系列的实验显示不仅生长机制,还分析了氧化锌的主要激子行为NWs不同铟掺杂浓度。
2。实验
面向p型(001)硅片被准备为基质。金纳米粒子是由化学还原的黄金四水合物(HAuCl4)和柠檬酸钠,然后传播到一个本地氧化物涂层硅晶片的自组装单层3-aminopropyltrimethoxysilane粘合层。金纳米粒子的宽度和密度是10 - 20 nm和6×108厘米−2检查通过扫描电子显微镜(SEM)图像。一个发育真空炉是用于氧化锌的生长和氧化锌:拥有核武器的国家。1.350 g锌球混合0,0.120,和0.240 g铟球,分别在真空炉定位上游提供蒸汽来源,而下游底物被冷凝的材料。氧气流经系统150 sccm用作活性气体的流量。在生长期间,温度升高到1050°C源和700°C的样本,与系统压力保持在大约0.1托。扫描电镜(JEOL地产6500 f)和TEM (JEOL JEM 2010 g,操作在200千伏)测定样品的形态和微观结构进行调查。TEM调查,样本应该进一步治疗。我们把样品放进甲醇溶液,然后进行超声波治疗。这个过程1 - 2分钟后,氧化锌NWs从基质中分离了出来。随后,一滴的悬架多洞的3-mm-diameter支持的碳膜铜网是干空气中。 Finally, the sample can be fixed at the TEM holder for microstructural observation. The crystal structure and phase purity were characterized by XRD measurements with Cu Kα辐射源和SAED附属的TEM模式。的化学成分被EDS研究了TEM。PL光谱进行了在室温下用屏遮- 320光谱仪配备25 mW氦镉激光的波长325 nm。
3所示。结果与讨论
成熟的形态和微观结构材料的特点并通过SEM分析。图1显示了扫描电镜图像的氧化锌(a)和氧化锌:在(b) (c) NWs金纳米粒子涂层硅基板上沉积。纯氧化锌NWs的直径范围从20到30 nm和氧化锌的直径:在不同铟掺杂水平在20 - 50和20 - 80纳米的范围,分别。此外,所有的氧化锌和氧化锌的长度:约几百纳米。明显的可能影响铟氧化锌的直径:拥有核武器的国家。除了平衡结构从SEM观察,能找到一些未知的纳米颗粒在NWs由红色箭头指出数字1(一)- - - - - -1 (c),这表明他们作为催化剂在NWs的生长过程。这个特性可以进一步证实了利用TEM和EDS测量。
(一)
(b)
(c)
XRD衍射模式theta-2theta几何测量已经检查as-deposited材料的晶体质量和纯度阶段在图所示2。没有衍射峰铟或其他杂质的阶段我们的样本中发现XRD的结果。XRD谱中的所有衍射峰对应于氧化锌晶体的面孔和(002)峰的强度远强于其他氧化锌山峰的三个样本,表明(002)晶面可能主要面对NWs和少量的掺杂铟没有影响(002)取向。强度和宽屏半峰(应用)的衍射峰,晶体质量的措施,在x射线衍射模式增加和减少铟含量的函数,分别。晶体质量的退化可能被解释为当地的障碍和晶格畸变由于置换铟锌原子的原子。
TEM、SAED和EDS进行测量来获得更详细的结构和成分特征的个人西北。它发现西北结构直径约30纳米和纳米颗粒限制在其最高TEM观察如图3(一个),3 (b),3 (c)。这三个样本的SAED模式也表现出图3(一个),3 (b),3 (c)。分析了飞机的衍射点和标记;与此同时,这些样品都是确定的带轴。EDS分析表明,纳米颗粒主要由金和少量的锌、铟、和氧元素,而干的NWs由只有锌、铟、和氧。代表EDS光谱从氧化锌阀杆和提示的部分:在NWs数据所示4(一)和4 (b)。通过EDS的测量,发现了铟的原子百分比是0,0.86和0.95。%在氧化锌NWs样品准备的0,0.120和0.240 g铟。由于蒸汽压约8×10−2atm锌和7×10−8atm在700°C的样本区域,锌/巨大的差异的来源和产品之间的摩尔比在我们的实验中可能由于大差异两个元素之间的蒸汽压(13]。vapor-liquid-solid (VLS)生长机制由如一首次提出和埃利斯14为硅晶须的生长平衡纳米结构的合成中得到了广泛的应用,如硅、氮化镓,氧化锌,2O3最近。根据VLS过程,纳米结构的两个重要特征将会提到。首先,金属颗粒的存在位于增长方面要求,充当催化网站。第二,纳米结构的尺寸通常是由金属微粒的大小从纳米结构的纵向生长只发生在金属微粒的界面。两个特征都是在协议与我们的结果从SEM和TEM图像,这被视为经济增长的证据VLS机制。此外,金纳米粒子的大小,前后NWs的增长,成为更大的可能源于Au-In-Zn合金的形成研究EDS期间增长的结果。SAED模式揭示了氧化锌和氧化锌:在NWs数据是单一的水晶insets所示3(一个),3 (b),3 (c)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
PL是一种无损和敏感技术为研究半导体的能带结构和缺陷水平。图5在室温下显示了PL光谱记录,使用325纳米线25 mW氦镉激光激发的氧化锌和氧化锌:拥有核武器的国家。PL光谱,紫外区域的三个强大near-band-edge (NBE)激子集中相关的排放大约380海里被发现,另一方面三弱广泛defect-related绿带(GB)排放集中在540纳米左右也观察到可见光区域。当我们关注NBE排放(插图图5),峰值位置和PL强度略转向更高的能源(蓝移)和抑制了铟掺杂度的增加,分别。蓝移的现象可以归因于由于Burstein-Moss光学带隙的扩大效应(15]这是解释电子浓度较高时,由于小态密度附近的氧化锌传导带最小,导电带边缘充斥着过度运营商捐赠者捐赠的铟,来自替换的铟锌和蓝移的光转换的结果。后来,当氧化锌:样品的兴奋,激动的电子会被更高的能级和导致辐射复合的蓝移。类似的结果在氧化锌被陈等人报道:在NWs通过溶胶-凝胶方法16]。金和公园测量了带隙的变化作为功能载体浓度(17]。NBE峰值毒药蓝移,比较纯氧化锌,约25 43伏,与铟氧化锌掺杂0.86和0.95。分别为%。根据金和公园的研究,我们假设的载体浓度In-doped氧化锌NWs(0.95%)将在该地区为1.1×1019厘米−3。此外,大萧条的NBE排放强度的形成可以解释donor-induced非辐射的复合中心来自铟的公司18]。相比,在浓度高于1%,Bae等人提出,NBE氧化锌的排放:在纳米线与10 ~ 20%铟浓度转变较低的能量区域(19]。他们建议高掺杂效应导致带隙的减少和价带的能量扩大。随着掺杂元素进入氧化锌晶格,额外的掺杂网站本地化乐队边缘国家形式,减少带隙。之后,众所周知,不完全氧化的氧化化合物半导体将导致非化学计量的生产缺陷:氧气空缺(Vo),GB发射建议在单独占领电子的辐射复合氧空位(在价带()与光激的洞20.]。纯氧化锌NWs展出一个GB的PL光谱发射强度极低的验证氧化锌NWs拥有低氧空缺被合成。此外,GB发射的强度从氧化锌纳米线略有增强,这可能归因于铟的合并。
4所示。结论
在结论中,我们合成了氧化锌NWs不同铟掺杂浓度对金纳米粒子涂层硅基板在真空炉起诉一个热蒸发方法。从SEM调查,直径范围的NWs增加合并后的铟。XRD显示首选(002)晶面没有任何其他杂质阶段我们所有的样品和NWs降解的晶体质量的提高铟浓度。VLS机制可能主要在氧化锌的生长NWs检查通过SEM和TEM图像。NBE发射峰值显示轻微的蓝移随着铟掺杂水平可以归因于Burstein-Moss效果。结合了铟,NBE排放强度降低了。defect-related GB排放强度略有增强铟掺杂后的。根据结构和光学性质的铟掺杂氧化锌、光电应用程序将是有益的。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
这项研究是由美国国家科学委员会的台湾,根据合同NSC 102 - 2218 - e - 018 - 003。