ZnO低维结构的稀土离子掺杂及其高压物性研究

阐明半导体低维结构的生长、掺杂机制，揭示半导体基质与掺杂离子间的相互作用，是发现新型功能材料的基础，也是实现半导体器件应用的关键。本项目以稀土离子在ZnO低维结构中的大失配掺杂为研究对象，系统研究掺杂低维材料相关的科学问题。在常规研究方法的基础上，我们采用高压原位研究方法，将低维结构的压致结构相变和掺杂低维结构的高压光致发光研究结合到一起，更深入地研究纳米结构的量子限制效应和稀土离子特殊的跃迁特性对材料的光学性质的共同作用结果。借助晶体场理论分析和高压电学研究，建立体系的电子能带模型，深入研究稀土离子与基质晶体环境的相互作用。根据以上研究结果，阐明低维结构的生长、掺杂机制，基质和稀土离子之间能量传递机制等关键问题，明确实现三价稀土离子在II-VI族半导体低维材料中有效掺杂的技术关键，获得低成本制备掺杂ZnO基低维材料的最优化工艺。

ZnO纳米材料在紫外探测器、传感器等领域有重要的应用价值，ZnO低维结构的制备及ZnO基器件的设计是实现其应用的基础。本项目的主要目标是阐明ZnO低维结构的生长机制，实现ZnO低维材料的均匀、可控、低成本制备，探索ZnO基器件的应用。项目执行期间主要完成了以下内容：采用不同方法制备了ZnO的纳米晶、纳米线、四角微/纳结构、纳米棒阵列等产物，研究了制备方法和工艺条件对产物的结构和性质的影响，及其可见发射的机制。制备了ZnO纳米线、金属-ZnO纳米线薄膜-金属结构，研究了ZnO纳米线表面及金属和ZnO纳米线的界面性质对紫外光响应的影响，采用背靠背双二极管模型解释了其在紫外光照射下的电输运性质。制备了ZnO纳米棒阵列/金刚石异质结器件，器件对紫外光有良好的响应，分析并阐明了异质结紫外探测特性的机制。利用薄膜沉积技术和微加工技术，采用在金刚石对顶砧表面集成、图形化金属电极的方法，设计、制备了高压原位微区电学测量装置，优化了制备工艺条件，并利用该装置对ZnO纳米晶进行了高压原位电学性质的研究。