新型功能碳材料的高压截获

高性能功能材料在诸多领域具有广泛的应用前景,是人们一直关注的研究热点。高压可以有效地改变物质的原子间距和成键方式,是获得新型功能材料的重要途径。在碳材料的高压研究中,许多有趣的功能碳材料,如光学透明碳、高强度弹性碳和超硬非晶碳等,已经通过不同的碳前驱体合成。本文简要介绍了作者近年来在低维碳基纳米复合材料高压研究中取得的进展,基于设计的不同低维碳前驱体,高压下截获了具有超硬特性、新型压致共价聚合及发光增强的碳材料。     

LP-MOCVD生长(ZnCdTe,ZnSeTe)/ZnTe复合量子阱的激子发光研究

用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)的方法在GaAs(100)衬底上生长了(ZnCdTe，ZnSeTe)／ZnTe复合量子阱结构。测量了生长样品的光致发光(PL)谱，得到两个发光峰(记为Il，I2)，分析认为高能侧的峰为Zn0．9Cd0．1Te浅阱峰，而低能侧的峰为ZnSe0．2Te0.8深阱层的发射。对样品进行了变激发强度的PL谱测量，当激发强度增加时，PL谱中两个发光峰的比值(I2／I1)开始时迅速增加，然后缓慢减小。这是由于浅阱中的电子和空穴隧穿入深阱中导致空间电荷的分离，从而在复合量子阱结构中产生了一个内建电场所引起的。     

ZnO-Si不同退火条件对生长ZnSe薄膜的影响

研究了作为缓冲层的ZnO薄膜在不同的退火时间、退火温度下退火对Si衬底上生长ZnSe膜质量的影响。当溅射有ZnO膜的Si(111)衬底的退火条件变化时，从X射线衍射谱（XRD）和光致发光谱（PL）中可见，ZnSe(111)膜的晶体质量有较大的变化。变温的PL谱表明，Si衬底上生长的具有ZnO缓冲层的ZnSe膜的近带边发射峰起源于自由激子发射。     

Si衬底上ZnSe外延膜的低压MOCVD生长

以硒化氢（H2Se）和二甲基锌为源材料，生长温度是300℃时，用低压金属有机化学气相沉积（LP－MOCVD）系统在Si(111)衬底上外延生长了ZnSe薄膜。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜的能量色散（EDS）以及光致发光（PL）实验验证ZnSe外延膜的质量，在X射线衍射谱中只有一个强的ZnSe(111)面衍射峰，这说明外延膜是（111）取向的单晶薄膜，在能量色散谱中除了Si,Zn和Se原子外，没有观测到其他原子，说明ZnSe外延膜中杂质含量较少。ZnSe外延膜中Zn/Se原子比接近1，有较好的化学配比。在ZnSe外延膜的77K光致发光谱中没有观测到与深中心发射相关的发光峰，表明ZnSe外延膜的晶格缺陷密度较小。77K时的近带边发射峰447nm在室温时移至465nm附近。     

背入射Au/ZnO/Al结构肖特基紫外探测器

设计制作了一种Au/ZnO/Al结构的紫外探测器,光的入射方式采用背入射式。ZnO薄膜是用磁控溅射在蓝宝石衬底上制备的。I-V测试表明:Au与ZnO形成了肖特基接触。得到探测器的光响应峰值在352nm,截止边为382nm,可见抑制比达一个量级。由于该探测器是一种垂直结构器件,对于进一步实现ZnO紫外探测器阵列及单光子探测有很好的研究价值。     

以S-K和V-W模式生长ZnCdSe和ZnSeS量子点及其特性

用低压金属有机化学气相外延(LP-MOCVD)技术,以Stranski Krastanow(S-K)模式,在GaAs衬底上生长了CdSe和ZnCdSe量子点(QDs)。用原子力显微镜(AFM),观测到了外延层低于临界厚度时,CdSe自组装量子点的形成过程,并把其机理归结为表面扩散效应和应变弛豫效应的联合作用。依据理论计算外延层临界厚度值的指导,用LP-MOCVD技术在GaAs衬底上生长了ZnCdSe量子点,详细观测了ZnCdSe量子点的形成和演变,这些过程可用Ostwald熟化过程和形成过程的联合作用来解释。用LP-MOCVD技术,以Volmer Weber(V-W)模式,在GaAs衬底上生长了ZnSeS量子点,随着生长时间的增加,量子点尺寸增大,而量子点密度减少,这些现象可用表面自由能来解释。     

通过交替生长气氛调控N掺杂ZnO薄膜电学特性

使用分子束外延方法在c面蓝宝石衬底上生长了系列氮掺杂ZnO薄膜样品。在连续的富锌气氛环境中生长的样品,由于存在大量的施主缺陷,呈现n型电导。为了抑制施主缺陷带来的补偿效应,在生长过程中,通过周期性补充氧气,形成周期性的富氧气氛,缓解了氮掺杂浓度和施主缺陷浓度之间的矛盾。光致发光测量表明,通过交替生长气氛,氧空位和锌间隙等缺陷在薄膜中得到了显著抑制。通过交替生长气氛生长的外延薄膜的结晶质量也有所提高。样品显示出重复性较高的p型电导,载流子浓度可达到10¹⁶ cm^-3。周期性补氧调节生长气氛的生长方式是一种有效实现p型掺杂ZnO的方法。     

氧化锌基材料、异质结构及光电器件

Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家"973"项目(2011CB302000)研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。     

m面蓝宝石上外延（110）取向立方MgZnO薄膜及其日盲紫外探测器件研究

由于在日盲紫外探测方面的应用前景,具有合适带隙的MgZnO合金半导体薄膜受到越来越多的关注。获得具有择优取向的单一相MgZnO对提升MgZnO基日盲紫外探测器性能至关重要。本文利用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）方法在m面蓝宝石衬底上制备了一系列不同组分的Mg_xZn_1-xO薄膜。光学和结构特性测试结果表明：Zn摩尔分数达到55%的Mg_0.45Zn_0.55O薄膜依然是单一立方相,其光学带隙可以达到4.7 eV。立方岩盐结构MgZnO与m面蓝宝石衬底的外延结构关系为（110）_MgZnO‖（1010）_sapphire、[001]_MgZnO‖[1210]_sapphire和[110]_MgZnO‖[0001]_sapphire。唯一确定的面内取向有利于薄膜晶体质量的提高。基于（110）取向立方相Mg_0.45Zn_0.55O薄膜制备金属-半导体-金属（MSM）结构器件,获得了光响应峰在260 nm、光响应截止波长278 nm的日盲紫外探测器。     

不同生长条件下ZnO薄膜电学性质的研究

ZnO薄膜中的高的背景电子浓度能够对p型掺杂形成补偿,从而对p型掺杂造成障碍,了解高背景电子浓度的来源有助于对p型掺杂的研究。本文采用分子束外延技术在不同真空度下在a面蓝宝石衬底上生长了一系列氧化锌薄膜,发现在低真空度下生长的样品的载流子浓度较高,为10¹⁹ cm^-3量级;而高真空度下生长的样品,其载流子浓度比低真空生长的样品显著降低,降低了3个数量级。在相同条件下生长的样品,通过不同的后处理手段进行处理后,其电子浓度未发生明显变化,说明氧空位等本征缺陷不是ZnO薄膜中电子的主要来源,高背景电子浓度应该与生长过程中非故意引入的杂质相关。通过低温光致发光表征,发现低真空度下生长的样品在低温下3.366 eV处有强的施主束缚激子发光峰,而高真空度下生长的样品的此发光峰显著变弱。由此,高电子浓度被归结为与生长过程中非故意引入的氢杂质相关。