ZnO 纳米材料补偿共掺杂机制及其光电器件构筑研究

ZnO紫外光电器件在通讯和白光照明等领域具有广阔的应用前景。针对当前ZnO同质及异质结器件中紫外发射效率较低等一些问题，本项目在我们对ZnO纳米材料掺杂改性控制缺陷及生长等工作基础上，重点将对ZnO一维纳米材料采用施受主补偿共掺杂，通过消除由单独掺杂引入的载流子非辐射复合中心，而提高激子发射内量子效率。并以此材料作为载流子复合发光的活性区，ⅢA族单掺的n型ZnO作为电子传输层，CuSCN等高电学性能的p型材料作为空穴传输层，构筑p-i-n双注入式纳米异质结，让载流子高效平衡注入。建立掺杂元素对载流子复合的影响机制；探索纳米结构光电器件的构筑方法；揭示纳米尺度下库仑作用的增强，成分波动引起的激子局域化，纳米阵列间填充包覆引起的激子限域，以及异质结处载流子复合时间的降低、结构缺陷和残余应变的降低、隧道电流的增加对器件发射效率的改进作用。为基于纳米结构的ZnO光电器件开发提供理论指导和技术支持。

室温下ZnO能隙宽度为3.6eV，激子束缚能高达60meV，有望制备成室温甚至是高温下的光电子等纳米器件。然而，由于Zn和O的电负性差别很大，造成氧空位很多，天然呈n型。纳米尺度下，巨大比表面中的悬挂键造成丰富的受主型表面态，大量带正电荷的VO++和VO+聚集在表面耗尽区中，强烈影响ZnO纳米结构性能。针对此问题，我们对ZnO纳米结构进行掺杂，以及构建成分梯度、异质结构和杂化纳米结构，利用掺杂元素与氧空位的相互作用以及异质界面的协同效应对ZnO纳米结构的表面态进行调制，以期对电子的运动进行有效控制，从而获得具有特殊功能的纳米结构材料，并制备出相应的纳米光电子等新型器件。我们主要从材料组成和结构控制制备、性能探测和优化、以及新型器件研制等三个方面开展了以下工作。首先，我们探索原位碳热还原法和低温燃烧合成法并结合后续热处理等工艺大规模合成纯净及掺杂ZnO一维单晶、多晶、异质、杂化、成分梯度等纳米结构的制备技术，以便改善ZnO纳米结构材料的性能。其次，探索并提出ZnO纳米结构中，表面态是控制其性能的主要机制，并通过其光、电、热和力学性能的探究对表面态进行深入的研究，以便有效控制和优化。最后，通过表面态调制而获得的具有独特性能的ZnO纳米结构材料来构筑光电探测、电阻开关及非易失存储器、光伏器件、应力和温度传感及存储器、恒温热发电机等纳米结构器件。揭示出掺杂以及复杂结构构建调制表面态的机理，并获得与器件性能的内在本质关联，制备出具有优越性能的纳米器件。这些研究对探索半导体纳米结构材料的改性与应用以及新型纳米器件的研制都具有重要的指导意义。为ZnO纳米结构的性能调控奠定了一定的理论基础，并为其器件的发展提供了实验依据和技术支撑。