基于单根砷掺杂氧化锌纳米线的电学及光学特性

【作者】 张俊艳； 邓天松； 沈昕； 朱孔涛； 张琦锋； 吴锦雷；

【机构】 纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京大学信息科学技术学院；

【摘要】 由于具有较宽的带隙(3.37 eV)和室温下较大的激子结合能(60 meV),氧化锌被视为构建近紫外发光二极管和激光器件的最有应用前景的候选材料之一。一般的非掺杂氧化锌呈 n 型导电类型, 由于自补偿效应、低溶解度、深缺陷能级等原因使得氧化锌的 p 型掺杂较难实现。许多研究小组致力于将Ⅴ族元素及Ⅰ族元素充当受主掺杂离子来获得 p 型的氧化锌材料,且逐步取得了进展。近年来,砷的热扩散掺杂已被证实为一种简单且有效的掺杂方式。区别于其他相关小组的块体、薄膜、棒(线)阵列的研究,我们针对单根的砷掺杂的氧化锌纳米线继续进行深入研究。我们采用化学气相沉积(CVD)的方法于砷化镓基底上合成直径为20 nm 左右、长约数十微米的氧化锌纳米线。然后,基于现有砷掺杂的基本方式之一:热扩散的方法,我们将生长于砷化镓基底之上的氧化锌纳米线通过600℃,历时30 min 的有氧退火处理后,获得了砷掺杂的氧化锌纳米线。将获得的掺杂后的氧化锌纳米线于丙酮中超声约2 min,利用匀胶机微量旋涂分散于电极之上,经扫描电镜精确定位电极上所需的各根氧化锌纳米线之后,应用电子束曝光以及真空溅射镀膜的方法将 10 nm 厚的钛、50 nm 厚的金合金作为接触电极引出,从而构建成场效应晶体管。基于(KEITHLEY 6487电流/电压源)的测量系统,我们对比研究了单根氧化锌纳米线砷掺杂前后的电学特性,并依此证实了通过砷掺杂来获得 p 型的氧化锌材料的可行性。其间,我们亦发现了一些单根砷掺杂氧化锌纳米线场效应晶体管的电学曲线呈现出二极管整流效应,其开启电压约为2.6 V。与此同时,我们也测得了单根砷掺杂氧化锌纳米线的光致发光谱:源于氧化锌近带边激子复合所产生的位于383 nm 处的近紫外光尖峰以及由缺陷能级辐射所产生的位于580 nm 附近的黄绿光带。这些研究将为获得单根砷掺杂氧化锌纳米线同质结的电致发光奠定基础。更多还原