新ZnO材料的電學性質(zhì)

1、XXXX 學院 XX 學院本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文專 業(yè) 物理學 年 級 2008級 姓 名 論文題目 ZnO 材料的電學性質(zhì) 指導教師 XXX 職稱 講師 2012 年 5 月 1 日學號：目目 錄錄摘 要.1關(guān)鍵詞.1Abstract.1Key Words.1引言.11. ZnO 薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu).22. ZnO 材料的電子輸運特性.22.1 模型描述.32.2 穩(wěn)態(tài)輸運特性.53. 摻雜 ZnO 材料的電學特性.63.1 摻雜 Nb2O5對 ZnO 壓敏材料電學性能的影響.83.2 摻雜 MgO 對 ZnO 壓敏材料電學性能的影響.83.3 摻雜 Al(NO3)3對 ZnO 壓敏材料電

2、學性能的影響.94. ZnO 材料的光電特性.105. ZnO 材料的應用前景.105.1 在傳感、圖像記錄、壓電等領(lǐng)域的應用.115.2 制作微型激光器.11參考文獻.121ZnO 材料的電學性質(zhì)材料的電學性質(zhì)學生姓名：李帥 學號：20087041009華銳學院理工系 物理學專業(yè)指導老師：馮金地 職稱：講師摘 要：本文從 ZnO 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子運輸特性、電學特性、光電特性等方面綜述了 ZnO 材料的應用前景。重點介紹了用 MonteCarlo 模擬描述 ZnO 電子運輸特性的方法以及摻雜 Nb2O5、MgO、Al(NO3)3對 ZnO 材料電學性質(zhì)的影響。關(guān)鍵詞：ZnO；電子運輸；電學

3、特性；光電特性Abstract:This paper sums up the application prospects of ZnO materials from the crystal structure , electronic transport properties,electrical properties,photoelectric properties. Especially it focuses on the way of taking MonteCarlo to describe the electrical properties of ZnO and the influe

4、nce of the electrical properties when Nb2O5,MgO,Al(NO3)3 are mixed .Key Words:ZnO; Electronic Transport; Electrical Properties; Photoelectric Properties引言引言ZnO 薄膜是一種具有壓電、氣敏、光電和透明導電等多種特性的功能材料，對 ZnO 的研究有望開發(fā)出光、電、熱等多功能集成化的器件，因此 ZnO 的研究引起了人們的極大興趣。用 MonteCarlo 模擬方法對一些典型半導體材料(如 Si，GaAs 和 GaN 等)進行分析7，對深入了解這

5、些材料的特性很有幫助。然而，很少有其他人用MonteCarlo 方法研究 ZnO 材料輸運特性的報道。目前，對 ZnO 材料中的電子輸運特性的了解還僅限于用解析方法進行研究。由于 ZnO 材料能帶結(jié)構(gòu)的復雜性，2解析方法只能獲得材料在低場輸運下的某些特性。目前，研究 ZnO 材料的性質(zhì)涉及許多領(lǐng)域，其中包括透明導電膜（TCO） 、表面聲學波（SAW）器件、光激射激光器、氣敏傳感器、紫外光探測器、顯示以及與 GaN 互作緩沖層等方面，在這里主要對 ZnO 材料的的電學特性和光電特性進行研究和分析。1. ZnO 薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)與-V 族共價性化合物晶體相比，ZnO 由于其兩種

6、組成元素在電負性上的較大差別，更偏向于離子型晶體，通常情況下具有六角晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)1。ZnO 為寬帶隙半導體，禁帶寬度約 3.3eV，晶體結(jié)構(gòu)為六方形纖鋅礦2結(jié)構(gòu)（圖 1） 。優(yōu)質(zhì)的 ZnO 薄膜具有 C 軸擇優(yōu)取向生長的眾多晶粒，每個晶粒都是生長良好的六方形纖鋅礦結(jié)構(gòu)。圖 1 六方形纖鋅礦 ZnO 晶體結(jié)構(gòu)2. ZnO 材料的電子輸運特性材料的電子輸運特性ZnO 薄膜是一種具有壓電、氣敏、光電和透明導電等多種特性的功能材料，對 ZnO 的研究有望開發(fā)出聲、光、電、熱等多功能集成化的器件，因此 ZnO 的研究引起了人們的極大興趣。3用 MonteCarlo 模擬方法對一些典型半導體材料(如 S

7、i，GaAs 和 GaN 等)進行分析7，對深入了解這些材料的特性很有幫助。然而，還未見其他人用MonteCarlo 方法研究 ZnO 材料輸運特性的報道。目前，對 ZnO 材料中的電子輸運特性的了解還僅限于用解析方法進行研究。由于 ZnO 材料能帶結(jié)構(gòu)的復雜性，解析方法只能獲得材料在低場輸運下的某些特性。為了研究 ZnO 的電子輸運特性，用 MonteCarlo 模擬程序，對 ZnO 材料進行了模擬研究，獲得了 ZnO 材料的速度一電場特性、平均能量一電場特性以及瞬態(tài)輸運特性等，并對這些結(jié)果進行分析和討論。模擬中所包含的散射機理有極性光學聲子散射、電離雜質(zhì)散射、聲學聲子散射、碰撞電離散射能谷

8、間散射等。為了計算電離雜質(zhì)散射，我們假定材料的施主雜質(zhì)濃度為 1016cm3，且雜質(zhì)全部電離電離雜質(zhì)散射為彈性散射,能谷間散射為各向同。2.1 模型描述模型描述采用全帶 MonteCarlo 方法來模擬 ZnO 材料的輸運特性。在全帶模型中能量與波矢量的關(guān)系是通過能帶理論計算得到的。這種方法能夠比較準確地確定能量與波矢量的關(guān)系，模擬精度比拋物面模型和非拋物面模型高。ZnO 是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)是六角對稱的，其導帶最小值和價帶最大值位于布里淵區(qū)中心(即 點)。采用第一原理總能量贗勢方法(the firstprinciples totalenergy pseudopotential method

9、)計算纖鋅礦 ZnO 的能帶結(jié)構(gòu)。在六角對稱性的能帶結(jié)構(gòu)中，簡約布里淵區(qū)的 k 空間體積是第一布里淵區(qū)體積的 124在能帶計算中，只需要計算簡約布里淵區(qū)內(nèi)的能量即可，其他區(qū)域的能量可以通過對稱操作得到。在 kx和 ky，電子波矢量由 4a 歸一化；在 kx方向，電子波矢量由 2c 歸一化，其中 a3和 c 為晶格常數(shù)。模擬中需要兩種數(shù)據(jù)庫，即稀疏格點的數(shù)據(jù)庫和密集格點的數(shù)據(jù)庫。前者用于電子自由飛行結(jié)束時，由波矢量確定能量，后者用于在電子經(jīng)歷各向同性的散射后，由能量確定波矢量。歸一化后，稀疏格點的間隔在三個方向上均為 0.025，密集格點的間隔在三個方向上均為 0.01。圖 2 是根據(jù)計算的能帶

10、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，畫出的在幾個高對稱方向上的能量與波矢量的關(guān)系。4圖 2 纖鋅礦 ZnO 的能帶結(jié)構(gòu)為了計算散射幾率，我們把電子能量分為兩個區(qū)，即低能區(qū)和高能區(qū)，低能區(qū)的能量小于 3eV。處于低能區(qū)的電子散射幾率依賴于波矢量，各種散射機理對電子的散射幾率通過費米黃金規(guī)則計算出來。在高能區(qū)，由于多個能量子帶相互交疊，因此無法用費米黃金規(guī)則計算出各種散射機理的散射幾率。由于散射幾率是與電子最終態(tài)能量的態(tài)密度成正比的，所以在高能區(qū)的散射幾率是通過低能區(qū)邊界(3eV)的散射幾率由最終能量的態(tài)密度（不同子帶態(tài)密度的疊加)標度化來實現(xiàn)的。圖 3 表示 ZnO 材料的總散射幾率隨能量變化的情況。計算出能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和

11、各種散射機理的散射幾率及總散射幾率隨能量的分布以后，就可以模擬電子運動了。采用組合 MonteCarlo 模擬方法，同時模擬 22000個電子的運動，時間步長為 10-15s。每個電場值進行 5000 個時間步長的模擬。圖 3 總散射幾率與能量關(guān)系曲線2.2 穩(wěn)態(tài)輸運特性穩(wěn)態(tài)輸運特性5圖 4 所示的是在電場沿 K 方向，摻雜濃度為 1016cm3。的條件下，不同溫度下電子平均漂移速度隨電場變化的曲線。從圖中曲線可以看出 ZnO 的電子輸運特性呈現(xiàn)微分負阻效應，這種效應在其它化合物半導體如 GaAs、GaN 中也已經(jīng)被證實。在低場區(qū)，電子能量較低，主要散射機理是電離雜質(zhì)散射、聲學聲子散射等，極性

12、光學發(fā)射散射的幾率很小，電子平均漂移速度隨電場增加而線性增加。極性光學發(fā)射散射幾率隨電子能量增加而增加，當電場進一步增加時，將逐漸成為占優(yōu)勢的散射機理，電子在電場中獲得的能量，由發(fā)射極性光學聲子(能量為 0.072eV)傳給晶格，平均漂移速度增加趨緩。當電場達到某一閾值時，平均漂移速度達到最大值8。電場再進一步增加時，平均漂移速度隨電場的增加反而下降。微分負阻現(xiàn)象是由于能谷間散射而引起的。圖 4 不同溫度下的電子平均漂移速度與電場強度關(guān)系曲線從圖 2 可以看出，導帶的最低能谷在布里淵區(qū)中心 點，稱為 1能谷，與之最近鄰的能谷在對稱點 A，稱為 A 能谷，兩能谷問的能量間隔為 2.66eV。除

13、A能谷外，另外兩個與 1能谷最近的能谷分別是在布里淵區(qū)中心 點的 2能谷和在對稱點 L 與對稱點 M 連線上的 LM 能谷。2能谷與 1能谷的間隙為4.32eV。LM 能谷與 1能谷的間隙為 4.64eV。在低電場下，電子平均能量低，所有電子都位于 1能谷上。隨著電場強度增加，電子平均能量增加，部分能量較大的電子，通過能谷間散射，躍遷到 A 能谷上。因為 A 能谷上的電子有效質(zhì)量比1能谷上的有效質(zhì)量高，當遷移到能谷上電子的數(shù)目足夠多時，電子的平均漂移速度會隨著電場強度的增加而減少。當電場足夠大時還會有電子遷移到更高的能6谷即 2能谷和 LM 能谷上。從圖 3 可以看出在室溫下，閾 值電場為24

14、0kVcm，平均漂移速度為 1.5107cms8。從圖 4 可以看出，在所考慮的電場范圍內(nèi)，平均漂移速度隨溫度的增加而減小，這是因為總散射幾率隨溫度的增加而增加。圖 5 給出了在不同電場強度下電子能量的分布，其中縱坐標的電子數(shù)目為隨機單位。從圖中可以看出，每條曲線都有一個峰值，隨著電場的增大峰值 ZnO 材料電學性能減小，出現(xiàn)峰值的能量增加。當電場小于閾值電場時，電子數(shù)目隨能量的增加而減小。電場強度為 3105Vcm 時，在大約 2.6eV 附近出現(xiàn)一個峰值，這說明有一些電子躍遷到 A 能谷上。對電場強度大于 5105Vcm 的幾條曲線，在更高的能量值上出現(xiàn)了分布的反轉(zhuǎn)，即高能量上的電子數(shù)目比

15、低能量上的電子數(shù)目還要多，4.5eV 附近的峰值可能是位于 能谷和 LM 能谷上的電子的貢獻。圖 5 不同電場強度下電子按能量的分布3. 摻雜摻雜 ZnO 材料的電學特性材料的電學特性由于 ZnO 薄膜中存在本征施主缺陷，如間隙 Zn 原子 O 空位等，使得 ZnO薄膜天然呈弱 n 型導電。因此 ZnO 薄膜的電阻率一般較高，在 10-2cm 數(shù)量級。但通過調(diào)整生長、摻雜或退火條件可形成簡單半導體薄膜，導電性能大幅提高，電阻率可降低到 10-4cm 數(shù)量級。7圖 6 是 Al 摻雜 ZnO 薄膜的電阻率電子密度和電子遷移率與（ZnO）1-x（Al2O3）x陶瓷靶材（x=w(Al2O3)=00.

16、0010.0020.005）中 Al2O3質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系曲線2?？梢钥闯觯珹l 摻雜 ZnO 薄膜的電阻率隨靶材中 Al 摻入量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的特征，說明適量的 Al 摻雜可以獲得導電性能較好的 n 型 Al 摻雜ZnO 薄膜 Al 摻雜 ZnO 薄膜的電阻率最低為 7.8510-4cm，這可歸因于該 Al 摻雜 ZnO 薄膜同時具有高電子濃度和較高電子遷移率。圖 6 Al 摻雜 ZnO 薄膜的電阻率、電子密度和電子遷移率隨靶材中 Al2O3質(zhì)量分數(shù)的變化ZnO 材料作為一種很有前途的光伏材料3，對其研究也很多。張金星等在ITO 薄膜上用磁控濺射法沉積了 ZnO 薄膜，并研究了其光電性

17、質(zhì)。結(jié)果表明，光電流達到 14A，暗態(tài)電流接近于零，說明其具有非常強的光敏感性這是由于雙層薄膜之間的費米能級不同而形成空間內(nèi)建電場的作用，使產(chǎn)生的光生電子與空穴有效分離，減少了電子和空穴的復合，促進光生載流子的產(chǎn)生并延長了載流子壽命，得到了較強的光電流。ZnO 薄膜的外延生長溫度很低，有利于降低設(shè)備成本，提高成膜質(zhì)量，更重要的是易于摻雜。摻入 B、Al、Ga 等 III 族施主雜質(zhì)可使其 n 型導電得到增強4；也可以通過摻入 N、P、As 等 V 族受主雜質(zhì)或通過施主-受主元素共摻雜（如 Ga-N 共摻雜）的辦法，使其具有 p 型導電特性。因此，在 ZnO 光電特性的研究中，制備結(jié)型器件是 Z

18、nO 薄膜實用化的關(guān)鍵，制備 p 型 ZnO 薄膜和 ZnO 的同質(zhì) p-n結(jié)及異質(zhì) p-n 結(jié)的研究也成為該領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容。83.1 摻雜摻雜 Nb2O5對對 ZnO 壓敏材料電學性能的影響壓敏材料電學性能的影響因為 Nb 離子的半徑為 0.070nm 與 Zn2+離子半徑(0.074nm)相近，故適量的Nb 摻雜可使得 Nb 離子作為施主進入 ZnO 晶格取代 Zn2+，固溶反應如方程（1）所示。從固溶反應可以看出，Nb 的摻入，不僅為晶界勢壘的建立提供了正電荷NB3+Zn，而且也提供了形成勢壘所必需的負電荷 e-。負電荷濃度和正電荷濃度的增加，將提高晶界勢壘高度。這一推斷可由表 1

19、 的數(shù)據(jù)得到證實。從表 1 還可看出，勢壘的提高與 ZnO 壓敏電阻的非線性系數(shù)的增大是直接相關(guān)的。表 1 摻雜 Nb2O5樣品的電學性能參數(shù)3.2 摻雜摻雜 MgO 對對 ZnO 壓敏材料電學性能的影響壓敏材料電學性能的影響適當?shù)牡葍r離子 Mg2+摻雜同時也能大大提高 ZnO 壓敏電阻的非線性系數(shù)5，如表 2 所示。原因可能是由于 Mg2+的離子半徑（0.065nm）比 Zn2+離子半徑小，Mg 除了占據(jù) Zn 的位置，還可能處于 Zn 的間隙位置，具體反應如下: (2)xOxZnOMgMZnOgO(3)表 2 摻雜 MgO 樣品的電學性能參數(shù)1232622352OOeNbONbxoZnZn

20、O22212OeMgMgOiZnO9可以看出， （2）式對晶界勢壘的形成沒有多大貢獻。處在間隙位置的金屬離子由于受氧離子的影響大，容易失去離子帶正電。因此， （3）式的反應，不僅能提供正電荷，還能提供負電荷，有利于提高晶界勢壘。從表 2 可以看出，當 MgO的摻雜量超過 0.02%時，勢壘反而降低，這可能是 ZnO 對 MgO 的固溶度較低所致。3.3 摻雜摻雜 Al(NO3)3對對 ZnO 壓敏材料電學性能的影響壓敏材料電學性能的影響Al 離子半徑(0.05nm)比 Zn 離子半徑小得多，它的摻雜可能發(fā)生的反應如下： (4) (5)由（5）式可以看出，適量 Al 的摻雜對提高晶界勢壘高度有利

21、，這一點從表3 可看出。當 Al(NO3)3摻雜量為 0.001%和 0.002%時，勢壘高度和非線性系數(shù)都有明顯提高。表 3 摻雜 Al(NO3)3樣品的電學性能參數(shù)223233236lNOl2ONOOAA高溫23322362lOeAlOAiZnO104. ZnO 材料的光電特性材料的光電特性由于 ZnO 具有較大的激子束縛能，特別是與 GaN 比較而言（ZnO 為60meV，GaN 為 25meV） ，因此，作為發(fā)光材料，ZnO 比 GaN 發(fā)光更明亮，使得ZnO 在光電器件方面的應用吸引了科研人員更大的注意。另外，由于 ZnO 激子具有很好的穩(wěn)定性,成為在室溫下實現(xiàn)激子有效激發(fā)的材料3。

22、在發(fā)光特性方面，對 ZnO 材料的研究已經(jīng)從本征發(fā)光擴展到稀土元素摻雜發(fā)光以及電致發(fā)光等方面。對于 ZnO 薄膜發(fā)光特性1，一般觀察到的發(fā)光峰主有380nm 處的近紫外發(fā)光峰和 510nm 處的綠光峰。數(shù)研究者認為，380nm 的近紫外峰來源于帶邊激子躍遷，而 510nm 處的綠光峰來源于氧空位。圖 7 In 摻雜 ZnO 薄膜的光致發(fā)光譜圖 7 是 In 摻雜 ZnO 薄膜的光致發(fā)光（PL）譜3。作者認為摻 In 的 ZnO 薄膜的 PL 譜中的藍紫發(fā)射雙峰來源于 In 摻雜所引入的 In 替位雜質(zhì)和鋅空位（VZn）缺陷。5. ZnO 材料的應用前景材料的應用前景由于具有優(yōu)異的光、電等特性，

23、納米氧化鋅在新興行業(yè)和平面顯示、圖像記11錄等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。5.1 在傳感、圖像記錄、壓電等領(lǐng)域的應用在傳感、圖像記錄、壓電等領(lǐng)域的應用納米 ZnO 對外界環(huán)境(如溫度、光、濕氣等)十分敏感，外界環(huán)境的微小改變會迅速引起其表面或表面離子價態(tài)和電子運動的變化，從而立即引起其電阻的顯著變化。目前已經(jīng)利用納米氧化鋅制出了高靈敏度氣體報警器和濕度計。納米ZnO 粉體用于瞬態(tài)薄膜傳感器的研究表明，納米氧化鋅便于噴涂與質(zhì)量控制，易于極化與轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出比較理想的電特性和動態(tài)特性適用于瞬態(tài)信號的測定。另外，利用納米 ZnO 的壓電性能，可制成壓電音叉、振子表面濾波器等；利用其光導電性質(zhì)用于電子

24、攝影；利用其半導體性質(zhì)作為放電擊穿記錄紙；利用其導電性質(zhì)作為電熱記錄紙等。5.2 制作微型激光器制作微型激光器最近，Michael HH 他們采用外延晶體沉積技術(shù)在藍寶石基板上生長出氧化鋅納米線，生成的每個納米線的頂端都有良好的六邊形小平面6。這些納米線成為產(chǎn)生激光自然的共振腔，用一定波長的激光將納米導線中的氧化鋅晶體激活時，晶體發(fā)射出波長只有 17nm 的激光。微型納米激光器可用來鑒別化學物質(zhì)，用于光計算機和信息存儲等方面。等利用氧化鋅納米線制造出了世界上最小的納米激光器。12參考文獻參考文獻1樓曉波，沈鴻烈，張惠等. ZnO 薄膜的結(jié)構(gòu)與光學性能研究.J. 電子元件與料，2007，26（10）：8-11.2余萍，邱東江，樊瑞新等. Al 摻雜 ZnO 薄膜的微結(jié)構(gòu)及電學特性.J. 浙江大學學報（工學版） ，2006，40（116）：1873-1877.3朋興平，王印月，方澤波等. In 摻雜對 ZnO 薄膜結(jié)構(gòu)及光學特性的影響.J. 半導體學報，200