金属氧化物/金刚石异质结制备及其性能研究

Diamond is considered to be the best wide-gap semiconductor due to its outstanding properties and could be used in different fields. The investigation of Oxide/Diamond heterojunction is an important issue to realize the application of diamond as semiconductor. In this project, the interface of ZnO(or TiO2)/diamond heterojunction will be studied by C-V, I-V, XPS, etc. Thus, the fixed charge density, the interfacial chemical banding state and the band alignment of the heterojunction would be investigated. Besides, different properties of the heterojunction, such as the diode character, field electron emission, would also be studied. Thus we would make a thorough study of the relationship between the interface state and the heterojunction character and find the way to fabricate ZnO(or TiO2)/diamond heterojunction with excellent performance. The implementation of this project will provide important experimental data for the fabrication an application of diamond devices.

金刚石同时具有众多的优异性质，在半导体领域具有极大的应用潜力。金刚石与金属氧化物，如氧化锌（ZnO）,二氧化钛（TiO2），结合制作异质结是金刚石半导体应用的重要研究课题。本项目拟利用磁控溅射法、水热法方法在p型金刚石表面沉积ZnO及TiO2薄膜，制备氧化物/金刚石异质结，并测量、分析异质结的特性。利用异质结I-V、C-V特性和XPS光谱等手段分析异质结界面电荷分布和能带结构。研究异质结特性与制备方法的关系，进而分析研究异质结界面状态对异质结性能的影响。优化异质结制备方案，制作具有优异性能的ZnO/金刚石光电器件及TiO2/金刚石光催化器件。本项目的实施将深入理解氧化物/金刚石异质结的界面特性及对异质结性能的影响，有助于进一步获得高性能金刚石相关的半导体器件，为其在高新技术领域的应用提供重要的实验和理论依据。

金刚石作为重要的第三代半导体材料，具有极大的应用潜力。通过硼掺杂可以得到p 型导电金刚石材料，然而受制于较低的载流子激活率和迁移率，其性能距离真正实现半导体领域的应用仍有巨大差距，需要开展大量工作优化制备工艺。另一方面，金刚石的n型掺杂难题至今未取得突破。人们尝试利用具有n型导电的金属氧化物材料与硼掺杂金刚石构成异质结，并研究其可能的性质及应用。同时基于已有的p型掺杂技术，金刚石在多个领域的研究已经广泛开展。.基于这种现状，本项目制备了金刚石与氧化钨异质结，获得了性能优良的二极管；在p型掺杂金刚石单晶制备方面开展了大量研究，优化了生长工艺；利用硼掺杂金刚石开展了电化学应用研究，制备了性能良好的电化学探测器。.制备的n-WO3/p-diamond 异质结构具有良好的热稳定性，从室温到290 oC 都表现出了良好的整流特性。这项工作扩展了基于硼掺杂金刚石的异质结结构设计和应用。.通过调整制备参数，优化了硼掺杂金刚石单晶制备工艺，获得的硼掺杂金刚石载流子浓度2×1017/cm3，载流子迁移率204 cm2/Vs，仍需开展大量研究工作，进一步优化工艺。.利用不同方法对硼掺杂金刚石表面进行修饰处理，制备了多种电化学电极。利用氢等离子体刻蚀方法，获得了表面分布纳米坑及纳米锥结构的薄膜，并将其应用于4-壬基苯酚的检测，检测极限高达0.26 nM；利用二次溅射退火方法，制备了金纳米颗粒修饰的薄膜，并应用于多巴胺的检测，相比传统方法制备的同种电极，其检测灵敏度得到提高，最终得到的电化学电极的检测限浓度为3×10-6 mol/L；设计了巯基乙醇/适配体/金纳米颗粒/硼掺杂金刚石的复合电极结构，用于制作双酚A电化学传感器，其检测限可达7.2×10-15 mol/L，是目前电化学方法中最低的。该工作对于制备原理简单，操作方便，低成本的电化学检测设备具有重要意义。.本项目开展的工作属于p型掺杂金刚石的制备及应用领域的基础研究，对于真正实现金刚石半导体材料的广泛应用具有一定推动作用。