新型SnO2(ZnO:Sn)m超晶格纳米线可控生长及发光与热电性能研究

SnO2(ZnO:Sn)m is a new superlattice, recently reported by the applicant, which does not lie into the family of InMO3(ZnO)m homologous compounds and never has been seen in bulk or thin film forms. Therefore, it is of great importance to investigate the physical properties of this new material. Based on the applicant’s original findings, this project starts with two routes of synthesis, thermal evaporation chemical vapor deposition and solid diffusion phase transformation, to obtain large scale of SnO2(ZnO:Sn)m nanowires. Through optimizing the growth parameters, it is expected to synthesize SnO2(ZnO:Sn)m superlattice nanowires with different growth directions and different periods lengths. Photoluminescence test would be performed on large scale nanowires firstly to gain the understanding of their semiconductor band structures. Then transmission electron microscopy and micro-manipulator technique are combined together to collect the micro-structure and its electrical and thermal conductance on the same targeted nanowire, based on which the real structure-property corelation would be built. Also the effects of nanowire growth directions and the superlattice period to the physical properties of the targeted nanowires will be discussed. The study results of this project will pave a way to understand the new SnO2(ZnO:Sn)m superlattice material, and establish a theoretical ground for its potential applications in nanoscale devices in the future.

SnO2(ZnO:Sn)m纳米线是申请人最近在InMO3(ZnO)m体系之外发现的一种新型超晶格材料，从未在体材料和薄膜材料中见到报道。因此，对于这种新材料的物理性能的探索需求非常迫切。在此基础上，本项目设计两种生长方案（热蒸发化学气相沉积和固态扩散相变）来研究SnO2(ZnO:Sn)m超晶格纳米线的生长机理，首先实现SnO2(ZnO:Sn)m纳米线的批量生长，进而通过优化生长参数，制备出具有不同生长方向及超晶格周期的SnO2(ZnO:Sn)m纳米线。对SnO2(ZnO:Sn)m纳米线进行宏观的光致发光性能测试，理解其半导体能带结构及性质。结合透射电子显微学和微操作探针技术，实现对同一根纳米线进行微观结构表征以及导电导热性能的测试，建立微观结构与物理性能的直接关系。本项目的研究将为SnO2(ZnO:Sn)m超晶格纳米线未来在纳米器件中的实际应用奠定理论基础。

ZnO和SnO2是非常重要的两种半导体材料，一直以来人们认为ZnO-SnO2相图中ZnO到Zn2SnO4之间是空白，Sn的含量增高只会导致Zn2SnO4的形成。2012年本人在JPCC上报导了一种新型超晶格纳米线SnO2(ZnO:Sn)m，证实了在ZnO-Zn2SnO4之间还存在着一系列多型超晶格相。这种相从未在三维体材料和二维薄膜材料中报导过。然而，由于SnO2(ZnO:Sn)m纳米线数量太少，无法进行进一步的深入了解。基于以上背景，本项目研究目的主要包括SnO2(ZnO:Sn)m纳米线的可控合成以及其发光和热电性能。我们取得了以下三个方面的重要进展：.1.阐明了ZnO-SnO2相图中Sn掺杂ZnO的结构演变。我们观察到了Sn-O层错只存在于ZnO（001）面内，以及不同Sn-O层错取向纳米线的转换过渡阶段，发现Sn含量增加导致ZnO改变生长方向来暴露更多的（001）面，[001]方向生长的ZnO能容纳更高密度的Sn-O层并且在轴向有更大的弹性来释放Sn引入引起的结构畸变。.2.基于ZnO与SnO2(ZnO:Sn)m之间的取向关系，创新的用CVD的方法一次性合成ZnO/SnO2(ZnO:Sn)m异质结纳米线阵列和高纯超长SnO2(ZnO:Sn)m纳米线阵列。XRD、拉曼光谱均发现新的特征超晶格衍射峰和振动峰，光致发光性能测试发现超晶格材料在紫外激发下呈现380-600宽谱白光发射，频率调制开尔文探针显微学测量发现超晶格比ZnO的功函数平均低0.15-0.2eV。.3.通过前驱体凝胶包裹ZnO纳米颗粒热处理的创新工艺，首次合成了SnO2(ZnO:Sn)m超晶格纳米颗粒，实现了该相的零维的合成。超晶格纳米颗粒也呈现白光发射，并且对H2S气体有着非常好的选择性和超高的5ppb检测极限。.本项目的实施填补了ZnO-SnO2相图中富Zn段的研究空白，分别用CVD和化学方法两种不同工艺开创了SnO2(ZnO:Sn)m超晶格纳米线阵列和纳米颗粒的全新合成工艺，揭示了新相SnO2(ZnO:Sn)m的本征物性，发现了白光发射和高性能气敏两种潜在应用。