高温扩散法对一维ZnO纳米材料的缺陷调控及光电性质研究

At present, the p-type doping of one-dimensional ZnO nanomaterials is very difficult and important problem. In this project, the high-temperature diffusion method was applied to the ZnO self-doping to investigate the defect modulation. According to accurately adjusting the thermal diffusion parameters including the atmosphere, pressure, temperature and time, look for the key factors that influencing the intrinsic defect formation and evolution to study the formation conditions of intrinsic defect, the energy level, the evolution mechanism and the recombination law. At the same time, the optical and electrical properties of materials were also discussed to explore the relationship among thermal diffusion process, the intrinsic defect and photoelectric properties. Clarify the mechanism of light emission and carrier transportation mechanism of one-dimensional ZnO nanomaterials. And through theoretical calculations reveal the microscopic mechanism of diffusion doping and to establish a microscopic model for the p-type doping of the one-dimensional ZnO nanomaterials providing new ideas and new approaches.

针对目前一维ZnO纳米材料的p型掺杂问题，提出将高温扩散法应用于ZnO的自掺杂，对其进行缺陷调控研究。精确调节热扩散工艺中的气氛、压强、温度和时间等参数，寻找影响本征缺陷形成和演变的关键因素，研究其本征缺陷的形成条件、能级位置、演变机制和复合规律等，以达到对本征缺陷性质认识的目的；同时研究材料的光电性质，探讨热扩散工艺-本征缺陷-光电性质三者之间的关系；阐明一维ZnO纳米材料的光发射机理和载流子输运机制。为高效率的光电子器件研制提供可靠的实验依据，并通过理论计算揭示扩散掺杂的微观机理并建立微观模型，为一维ZnO纳米材料的p型掺杂提供新思路和新方法。

本项目中，我们将高温扩散掺杂技术和常规的退火工艺结合起来，通过扩散掺杂，实现对一维ZnO纳米材料本征缺陷和光电性质的调控生长。首先，采用水热法和化学气相沉积法制备单晶质量的ZnO纳米材料，研究了工艺参数对ZnO纳米材料的形貌和结晶质量的调控规律，最终我们实现了在不同衬底上，制备出分散较均匀、准直性较好、结晶质量较高的ZnO纳米材料。其次，通过高压和低压两种方法对ZnO进行了Zn扩散掺杂，通过分析材料的光学性质，我们推断Zn掺杂将在ZnO单晶中形成锌间隙缺陷，是离化能约为50meV的浅施主，初步判断Zn掺杂引起的紫外发光增强是由锌间隙缺陷引起的。最后，我们在理论上模拟计算并初步建立了高温扩散掺杂的微观物理过程，实验上采用扩散工艺有效调控了ZnO纳米线的紫外光强度。因此，本项目在实验上获得了高温扩散工艺对本征缺陷类型和浓度的调控规律，在理论上初步探讨了高温扩散掺杂过程的微观机理。本项目在国内外重要刊物上发表论文 12篇，其中10篇为SCI收录论文，这些研究成果为纳米ZnO的p型掺杂及其在光电子领域中的应用提供参考。