石墨烯电极ZnO纳米棒基发光二极管的制备及电致发光研究

ZnO is regarded as one of the most promising semiconductor material for the application of ultraviolet light-emitting diodes (LEDs) due to its excellent optical and electrical properties, including a direct wide bandgap (3.37 eV) and a high exciton binding energy (60 meV) at room temperature. Ordered ZnO nanorod arrays have high crystalline quality, excellent waveguiding properties, and especially, they form two-dimensional photonic crystal, possibly resulting in normal directional emission of the light, therefore, LEDs based on highly ordered ZnO nanorod arrays, have attracted considerable attention. However, on the one hand, conventional preparation technologies of ordered ZnO nanorod arrays, reported so far, are complex and expensive. On the other hand, the preparation of ZnO nanorods-based LEDs with a common indium-tin-oxide (ITO) electrode is very difficult. In this project, we plan to fabricate highly ordered ZnO nanorod arrays on the p-GaN substrates via a facile hydrothermal process using the inverted polystyrene (PS) microsphere self-assembled monolayer template. Moreover, by means of changing the diameter of PS microspheres in use, solution concentration during hydrothermal growth, and the time of oxygen plasma etching on PS microspheres, both the density and dimension of ZnO nanorod arrays can be adjusted flexibly over a wide range. Then, ordered ZnO nanorods/p-GaN heterojunction LED is fabricated by adopting graphene as a current spreading layer, and the electroluminescence is studied in detail. Finally, the performance of the ZnO nanorods/p-GaN heterojunction LED is optimized by adjusting the density and size of the ZnO nanorod array in use, and the external quantum efficiency hopefully reaches 3%.

ZnO具有大的禁带宽度和高的激子束缚能是制备短波长发光器件的理想材料。有序ZnO纳米棒阵列具有较高的结晶质量、优良的波导特性，特别是它形成二维光子晶体，有望实现光的垂直发射，因此基于有序ZnO纳米棒阵列的发光二极管（LED）成为近年来的研究热点。目前来看，一方面，有序ZnO纳米棒阵列制备设备复杂、成本昂贵；另一方面，应用传统的ITO电极，基于ZnO纳米棒的LED制备过程很难控制。基于此，本项目拟采用反蛋白石结构模板法，通过低温水热反应过程制备有序ZnO纳米棒阵列，并通过改变聚苯乙烯微球尺寸、水热反应浓度以及氧等离子体刻蚀时间，实现对ZnO纳米棒密度及尺寸的大范围调节；在此基础上，以石墨烯为电流扩展层，制备ZnO纳米棒/p-GaN 异质结LED，并对其电致发光性能进行研究；最后，在理论研究基础上，通过调节ZnO纳米棒阵列的密度及尺寸，使ZnO纳米棒/p-GaN LED 外量子效率达3%。

ZnO是一种直接宽禁带半导体，禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV，是制备紫外发光器件的理想材料。特别是有序ZnO纳米棒阵列具有较高的结晶质量及优良的波导特性，因此基于有序ZnO纳米棒阵列的发光二极管（LED）成为近年来的研究热点。但是，就研究现状而言，有序ZnO纳米棒阵列制备设备复杂、成本昂贵，并且，以传统ITO为电极及电流扩展层，基于ZnO纳米棒的LED制备过程很难控制。基于此，本项目借助于工艺简单、成本低廉的纳米球自组装技术，通过低温的水热过程制备了高度有序ZnO纳米棒阵列；在此基础上，以石墨烯为电流扩展层，制备了ZnO纳米棒/p-GaN 异质结LED，并对其电致发光性能进行研究；最后，在理论研究基础上，通过调节ZnO纳米棒阵列的密度及尺寸，对器件性能进行了优化。主要研究成果如下：.1. 利用聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球模板法，在Si衬底以及GaN衬底上制备了有序的ZnO纳米结构阵列，并分析了不同衬底对ZnO纳米结构结晶质量、形貌及光学性质的影响。.2. 利用TiOx胶体反向复制PS球自组装单层得到了TiOx/PS反蛋白石结构模板，在GaN衬底上，利用反蛋白石结构模板法制备了有序的ZnO纳米棒阵列，并通过改变所用PS球尺寸、水热反应溶液浓度以及刻蚀PS球等方式，实现了对ZnO纳米棒阵列密度及尺寸的大范围调节。.3. 基于GaN衬底上的有序ZnO纳米棒阵列，以石墨烯作为电流扩展层，成功制备了异质结发光二极管。通过调节ZnO纳米棒阵列的密度及尺寸，对器件性能进行了优化。.这些研究结果有助于ZnO基高效紫外发光纳米器件的发展。