半導(dǎo)體發(fā)光材料 (2)

1、半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料定義：能夠以某種方式吸收能量，并將其轉(zhuǎn)化成光輻射的 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體激光器應(yīng)用領(lǐng)域：半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程一一以鍺，硅半導(dǎo)體材料為主二二以GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦）為代表的半導(dǎo)體材料制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的的優(yōu)良材料三三以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件主要用于低壓、低頻、中功率的晶體管和光電探測器半導(dǎo)體發(fā)光輻射躍遷：半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷。輻射躍遷的過程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過程。躍遷是電子-空穴對(duì)復(fù)合激勵(lì)： 光致發(fā)光

2、電致發(fā)光弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定光致發(fā)光：價(jià)帶中基態(tài)的電子吸收入射的光子的能量后，躍遷到導(dǎo)帶中，成為不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)之后與價(jià)帶中的空穴通過各種過程進(jìn)行復(fù)合而發(fā)光。電致發(fā)光：本征式和注入式半導(dǎo)體發(fā)光非輻射躍遷：電子由較高能級(jí)躍遷至低能級(jí)并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。高效率的發(fā)光器件需要的輻射壽命遠(yuǎn)小于非輻射壽命直接帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體直接帶結(jié)構(gòu)：價(jià)帶頂?shù)哪芰课恢煤?導(dǎo)帶底的位置相同直接帶隙躍遷特點(diǎn)：無聲子參與，發(fā)光效率高ghE直接躍遷的的半導(dǎo)體材料II-VI族化合物 ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、 CdS、CdSe、CdTeIII-V族化合物 GaN、GaAs、GaSb、InP 間接帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體間接

3、帶結(jié)構(gòu)：價(jià)帶頂?shù)哪芰课恢门c 導(dǎo)帶底的能量位置不同間接帶隙躍遷特點(diǎn)：有聲子參與，發(fā)光效率低間接躍遷的半導(dǎo)體材料 IV族半導(dǎo)體Si、Ge， III-V族化合物中的AlAs、GaP ghE半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理即注入式電致發(fā)光 即當(dāng)加正向偏置式勢壘下降，p 區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò) 散。由于電子遷移率比空穴遷移 率大得多，出現(xiàn)大量電子向p區(qū) 擴(kuò)散，構(gòu)成p區(qū)少數(shù)載流子的注 入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù) 合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的 形式釋放。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的必要條件： 1 受激輻射占主導(dǎo)地位 2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 3 有光學(xué)諧振腔半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究現(xiàn)狀阻礙GaN 研究的主要困難之一是缺乏晶

4、格及熱脹系數(shù)匹配的襯底材料. SiC與GaN晶格匹配較好,失配率僅為3.5，但SiC價(jià)格昂貴. 藍(lán)寶石與GaN有14的晶格失配,但價(jià)格比SiC便宜,而且通過在其上面生長過渡層也能獲得高質(zhì)量的GaN薄膜,因而藍(lán)寶石是氮化鎵基材料外延中普遍采用的一種襯底材料自室溫下激光激發(fā)ZnO納米微晶膜觀測到紫外激光發(fā)射行為以來,ZnO 的激光發(fā)射一直是研究的熱點(diǎn),ZnO的藍(lán)帶,特別是近紫外激光發(fā)射特征,以及相當(dāng)高的激子結(jié)合能(60meV) 和增益系數(shù)(300cm- 1 ) ,使其成為重要而優(yōu)異的藍(lán)、紫外半導(dǎo)體激光材料。目前，人們致力于ZnO單晶的制備。熒光量子點(diǎn)半導(dǎo)體材料中，微小晶體通常被稱作量子點(diǎn)（quan

5、tum dot)。這種量子點(diǎn)可以把電子鎖定在一個(gè)非常微小的三維空間內(nèi)，當(dāng)有一束光照射上去的時(shí)候電子會(huì)受到激發(fā)跳躍到更高的能級(jí)。當(dāng)這些電子回到原來較低的能級(jí)的時(shí)候，會(huì)發(fā)射出波長一定的光束。現(xiàn)在量子點(diǎn)被大量地應(yīng)用在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，幫助研究人員確定生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或活動(dòng)。熒光量子點(diǎn)當(dāng)量子點(diǎn)被光脈沖照射的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生各種各樣的顏色，不太高級(jí)的光學(xué)顯微鏡就可以觀察到這種彩色光。量子點(diǎn)可以用來追蹤藥物在體內(nèi)的活動(dòng)、或是研究患者體內(nèi)細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)可以產(chǎn)生多種顏色的光，光的顏色取決于量子點(diǎn)的尺寸。研究人員已經(jīng)制造出可以產(chǎn)生超過12種顏色熒光的量子點(diǎn)，而且理論上講可以產(chǎn)生出更多的顏色。這樣，當(dāng)某個(gè)波長的激

6、光對(duì)多種量子點(diǎn)進(jìn)行照射激發(fā)的時(shí)候，可以同時(shí)觀察到多個(gè)顏色，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)測量。生物研究中所使用的量子點(diǎn)需要覆蓋上一層物質(zhì)以便可以追蹤特定的生物分子，可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中。國外的科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用量子點(diǎn)標(biāo)記腫瘤細(xì)胞憑借活體成像系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的研究Bi摻雜ZnO納米線的制備 ZnO納米材料的幾種制備方法：1.熱蒸發(fā)合成法： 這種方法通常是在高溫區(qū)，利用高溫加熱使原材料溫度上升而升華為蒸汽，同時(shí)通入一定量的載氣，利用載氣把蒸汽吹到溫度較低的冷端，隨后氣相物質(zhì)在特定的溫度區(qū)沉積下來并在催化劑的作用下成核長大，從而得到各種ZnO 納米結(jié)構(gòu)2.化學(xué)氣相沉積法優(yōu)點(diǎn)是可以通過這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)一維材料的陣列化，但由于儀

7、器價(jià)格昂貴，因此一定程度上妨礙了這種方法的推廣和發(fā)展3.模板輔助生長法優(yōu)點(diǎn)是材料普遍、制作方法簡單、材料生長有序，但材料與模版分離較為麻煩，限制了它的后續(xù)開發(fā)與發(fā)展4.水熱合成法水熱合成法是液相法中使用最普遍的一種，它利用水溶液作反應(yīng)體系，在特制的密封反應(yīng)器，如高壓釜中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)體系加熱到或接近于其臨界溫度，使反應(yīng)容器中產(chǎn)生高壓，從而進(jìn)行無機(jī)材料的合成與制備ZnO為什么要摻雜Bi？首先，摻雜可以改變ZnO半導(dǎo)體在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等方面的多種性能，并且只有摻雜過的ZnO半導(dǎo)體，才可以用于制備各種器件。Bi的優(yōu)勢:ZnO、Bi2O3的禁帶寬度分別為3.37eV、2.85eV，兩者相差不大

8、，摻雜后可以調(diào)整ZnO禁帶寬度，進(jìn)一步改變材料在光學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)等方面的多種性能下圖所示Bi摻雜的ZnO納米顆粒結(jié)果表明，通過摻雜提升了納米線中的載流子濃度（3.5108 cm1）以及電子移動(dòng)效率（1.5 cm2/V s）此次主要介紹化學(xué)氣相沉淀法（CAD）這種置備方法具體過程有以下七步：（1）反應(yīng)組份混合后，變成氣態(tài)物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)室。（2）反應(yīng)組份在載氣的作用下，形成中間物質(zhì)。（3）中間物擴(kuò)散到氣相邊界區(qū)域，到達(dá)沉積區(qū)域表面。（4）氣氛混合物在襯底表面被吸附，形成初級(jí)生長材料。（5）在襯底表面發(fā)生反應(yīng)并進(jìn)行沉積過程。（6）反應(yīng)物自襯底表面發(fā)生解吸，生成氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物。（7）從反應(yīng)系統(tǒng)中排出反應(yīng)

9、物氣氛。影響因素1.反應(yīng)溫度溫度過低時(shí)形成Bi的金屬球，溫度過高生成氧化鉍，如圖2.壓強(qiáng)溫度相同時(shí)，壓強(qiáng)越大，納米線越容易形成，如下圖所示成分分析：可以發(fā)現(xiàn)，衍射峰值和ZnO的衍射峰值一致，未發(fā)現(xiàn)明顯Bi2O3衍射峰，說明Bi未大量氧化結(jié)晶。且沒有發(fā)現(xiàn)明顯Bi衍射峰的出現(xiàn)，說明摻雜量較小結(jié)論：利用CAD的方法，在400C，500Torr條件下，能得到最好的效果。Bi的摻雜能有效地改善ZnO納米結(jié)構(gòu)的能級(jí)寬度，進(jìn)而調(diào)控ZnO納米線在許多方面的性能，提升其應(yīng)用空間。1.周遺品, 趙永金, 張延金. Arrhenius公式與活化能. 石河子大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1995, 4 2.朱靜. 納米材料

10、和器件. 北京: 清華大學(xué)出版社, 20033.張立德, 牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu). 北京: 科學(xué)出版社, 2001 4.Wang, Q. Li, Z. Liu, J. Zhang, and Z. Liu, and R. Wang, Appl. Phys.Lett. 2004, 84(5), 4941 5. Vidhya Chakrapani,Jyothish Thangala and Mahendra K. Sunkara. WO3 and W2N nanowire arrays for photoelectrochemical. international journalof hydrogen energy ,International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(3): 9050 9059 6.Look D C, Reynolds D C, Litton C W, Jones R L, Eason D B and Cantwell G, A