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。     

Ultraviolet emissions realized in ZnO via an avalanche multiplication process

Au/MgO/ZnO/MgO/Au structures have been designed and constructed in this study. Under a bias voltage, a carrier avalanche multiplication will occur via an impact ionization process in the MgO layer. The generated holes will be drifted into the ZnO layer, and recombine radiatively with the electrons in the ZnO layer. Thus obvious emissions at around 387 nm coming from the near-band-edge emission of ZnO will be observed. The reported results demonstrate the ultraviolet (UV) emission realized via a carrier multiplication process, and so may provide an alternative route to efficient UV emissions by bypassing the challenging p-type doping issue of ZnO.     

One-dimensional sp carbon: Synthesis,properties, and modifications

Carbyne, as the truly one-dimensional carbon allotrope with sp-hybridization, has attracted significant interest in recent years, showing potential applications in next-generation molecular devices due to its ultimate one-atom thinness. Various excellent properties of carbyne have been predicted, however, free-standing carbyne sample is extremely unstable and the corresponding experimental researches and modifications are under-developed compared to other known carbon allotropes. The synthesis of carbyne has been slowly developed for the past decades. Recently, there have been several breakthroughs in in-situ synthesis and measurement of carbyne related materials, as well as the preparation of ultra-long carbon chains toward infinite carbyne. These progresses have aroused widespread discussion in the academic community. In this review, the latest approaches in the synthesis of sp carbon are summarized. We then discuss its extraordinary properties, including mechanical, electronic, magnetic, and optical properties, especially focusing on the regulations of these properties. Finally, we provide a perspective on the development of carbyne.     

Zn1-xCdx S合金薄膜的结构和光学性质

采用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术,在普通石英衬底上制备出不同Cd组分(0．02,0．44,0．59,0．83,0．91)的Zn1-xCdxS合金薄膜材料。X射线测量表明样品为单一取向的纤锌矿结构,并且随着x的增加衍射峰位基本成线性地从ZnS衍射峰向CdS衍射峰移动。此外,在PL谱中还可以看出随着样品中Cd含量的增加,发光峰从3．66eV红移到2．43eV。根据发光峰位与Zn1-xCdxS中x的变化关系,推导出它们之间的关系近似为Eg(Zn1-xCdxS)=3．61-1．56x 0．38x^2。还探讨了不同Cd组分薄膜材料的X射线衍射峰半峰全宽以及发光峰半峰全宽的变化。     

纳米金刚石的分散、修饰及载药应用研究

纳米金刚石(nanodiamond,ND)作为一种重要的碳纳米材料,具有表面易修饰、比表面积大、生物毒性低以及物理化学稳定性好等特点,使其在生物医学领域具有独特的优势.本文通过对ND进行分散和化学修饰得到了分散性良好的羧基化纳米金刚石(ND-COOH),并通过透射电子显微镜、X-射线衍射、傅里叶变换红外谱仪等手段对其形貌和结构进行了表征分析.ND-COOH在水溶液中水解后呈现出较高的负电位,致使其可以通过静电相互作用吸附带正电的抗癌药物盐酸阿霉素(dox),且对阿霉素的负载量可达325μg/mg.由于ND-COOH与dox之间通过带负电的羧酸根与带正电的质子化氨基结合,因此在H~+浓度较高的酸性溶液中,药物复合体ND-dox呈现出显著的p H值依赖药物释放特性,在p H值为5.0的磷酸盐缓冲液中药物释放率达到85%,而在p H值为7.4的PBS中药物释放率低于40%.此外,ND-COOH和ND-dox的细胞毒性和体外细胞杀伤能力结果表明,ND-COOH在0—150μg/m L范围内对细胞活性没有明显抑制,而ND装载药物dox后的ND-dox对SGC-7901胃癌细胞活性则表现出显著的抑制作用,表明ND-COOH作为药物载体具有较低的生物毒性,而负载药物后则对肿瘤细胞具有较强的杀伤能力.通过对ND进行简单的分散和表面改性,使ND具备良好的药物装载和独特的p H值依赖药物释放特性,这对于促进纳米金刚石在药物载体方面的应用具有重要的借鉴意义.     

铟磷共掺杂p型氧化锌薄膜形成机理和性质

利用射频磁控溅射在石英衬底上生长出铟磷共掺氧化锌薄膜(ZnO ∶ In,P),所用靶材为掺杂五氧化二磷(P₂O₅)和氧化铟(In₂O₃)的氧化锌(ZnO)陶瓷靶,掺杂质量分数分别为1.5%和0.3%,溅射气体为Ar和O₂的混合气体。原生ZnO薄膜是绝缘的, 600 ℃退火5 min后导电类型为n型,而800 ℃退火5 min后为p型。p型ZnO薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率分别为12.4 Ω·cm, 1.6×10¹⁷ cm^-3 和3.29 cm²·V^-1·s^-1。X射线衍射测量结果表明所有样品都只有(002)衍射峰,并与相同条件下生长的未掺杂ZnO相比向大角度方向偏移,意味着In和P都占据Zn位。XPS测试结果表明在共掺ZnO薄膜中P不是取代O而是取代Zn。因此,铟磷共掺ZnO薄膜中,In和P都取代Zn,并且P_Zn与2个锌空位(V_Zn)形成P_Zn-2V_Zn复合受主,薄膜表现为p型。     

MOCVD生长MgZnO薄膜及太阳盲紫外光电探测器

利用MOCVD在蓝宝石衬底上,通过低温生长实现了立方结构、吸收边在255nm的Mg0.52Zn0.48O合金薄膜,并采用传统湿法刻蚀的方法在薄膜上制备了梳状叉指金电极,构成金属-半导体-金属(MSM)结构,实现了在10V偏压下,器件的光响应峰值在250nm,截止边为273nm的MgZnO太阳盲光电探测器。     

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。     

点缺陷调控:宽禁带Ⅱ族氧化物半导体的机遇与挑战

宽禁带Ⅱ族氧化物半导体材料体系,包括氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)及合金,拥有较大的激子结合能(ZnO 60 meV, MgO 80 meV),较高的光学增益(ZnO 300 cm~(-1))以及较宽的可调带隙(ZnO3.37 eV, MgO 7.8 eV, BeO 10.6 eV),具有实现紫外及深紫外波段低阈值激光器的独特优势,同时也是取代传统气体放电灯(汞灯、氘灯、准分子灯、氙灯)成为深紫外乃至真空紫外光源的重要候选材料之一.虽然经过20余年的研究历程, ZnO基pn同质结近紫外电致发光方向取得了长足进步,但是,随着带隙的展宽,伴随而来的受主(施主)离化能变高(百毫电子伏特量级),使得室温等效热能(26 meV)无法实现对杂质能级上的空穴(电子)有效离化;此外,掺杂过程中存在的自补偿效应也进一步弱化了载流子的产率,以上因素已经成为了阻碍宽禁带Ⅱ族氧化物半导体实现紫外激光器件及向更短波长扩展的瓶颈性问题,同时也是其他宽禁带半导体材料共同面对的难题.对材料电学及发光性能的调控往往取决于对关键缺陷态的识别与控制,丰富的点缺陷及其组合类型,使宽禁带Ⅱ族氧化物半导体成为研究缺陷物理的重要平台.针对特定点缺陷的识别及表征将有望发现并进一步构建能级较浅的缺陷态,为电学性能调控提供基础.本文从高质量外延生长、杂质与点缺陷、p型掺杂及紫外电致发光三个方面阐述Ⅱ族氧化物半导体近期研究结果,通过对相关研究工作的概览,阐明该体系作为深紫外光源材料的独特优势的同时,指明未来针对电学性能调控的关键在于对点缺陷的调控.     

生长在p-GaAs衬底上的ZnO基异质结二极管电致发光(英文)

利用等离子体辅助分子束外延在p型砷化镓衬底上制备了ZnO异质结发光二极管。实验表明:GaAs与ZnO之间的氧化镁绝缘层能够有效改善器件光电性能,I-V特性的研究表明该器件具有良好的整流特性,开启电压为3 V,电致发光光谱由一个紫外发光峰和一个可见发光带构成,其来源分别为ZnO层中近带边缺陷以及深能级缺陷相关的辐射复合。