化学气相沉积法制备氧化锌纳米结构
采用化学气相沉积法在Si衬底上制备ZnO纳米棒 ,本实验运用到了扫描电子显微镜（SEM）、光学多通道分析仪（OMA）、透射电子显微镜（TEM）等对生成的ZnO纳米棒做出形貌与光电表征，阐述了氧化锌纳米棒的形貌结构，纳米棒尺寸，以及其原子排布空间结构的观察。简单探讨了其生长机理，生长基元的形成，晶核的形成，以及反应温度、生长时间、原材料比例、载气流量等对其生长影响和光致发光的影响。实验结果表明气相法制备ZnO纳米结构 ,可以制备出氧化锌纳米棒，并且从其形貌特征上可以看出其六角纤锌矿结构，在光电性质上看，其在380nm波长处有着本征发光区。关键词 氧化锌，纳米结构，生长机理，化学气相沉积法
目 录
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 纳米氧化锌的性质 2
1.3 纳米氧化锌的应用 3
1.3.1 在光电探测器件方面的的应用 3
1.3.2 在紫外发光器件方面的应用 4
1.3.3 在场发射器件方面的应用 4
1.3.4 在气体生物传感方面的应用 4
2 实验设备介绍 5
2.1 高温管式炉 5
2.2 扫描电子显微镜（SEM） 6
2.3 光学多通道分析仪(OMA) 7
3 氧化锌纳米材料实验原理与制备过程 8
3.1 实验原理 8
3.2 实验步骤 9
3.3 生长机理 10
3.3.1 气液固（VLS）生长机理 10
3.3.2 气固（VS）生长机理 10
4 表征与分析 11
4.1 SEM下形貌表征 11
4.2 TEM下的形貌表征 13
4.3 光电性质表征 14
结 论 16
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 研究背景
现如今科学技术飞速发展，纳米技术应运而生，早在20世纪90年代国外的物理学家采用分子束外延的方法在蓝宝石（Al2O3）衬底上得到了蜂窝状的ZnO薄膜[1]。至此，物理学家将关注点逐渐转移到ZnO *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
纳米结构上来。在多年的研究下，人们发现ZnO纳米结构拥有着很好的光电特性和尺寸效应，在紫外区有着很好的发光特性，其可能继GaN以来更好的半导体材料。所以ZnO在半导体材料方面的应用已然成为了目前光电领域的研究热点了。
1.2 纳米氧化锌的性质
在化学和物理性质方面，ZnO是一种双性氧化物，其拥有着独特的化学性质，在酸和碱中ZnO是可溶的，但ZnO不溶于水和乙醇，可被C在高温下还原成金属Zn，其在室温下为白色固体粉末，是一种针状的小颗粒，当其在高温下，显现出黄色，ZnO没有毒性，没有气味，密度约为5.61g/cm3。
在原子空间排布结构方面，ZnO具有六角纤锌矿结构，是一种直接带隙半导体材料，束缚激子结合能高达60meV，远远高于室温热离化能（26meV），ZnO纳米材料的激子在常温下可以稳定存在，室温下禁带宽度为3.37eV[2]，由于以上特性，导致ZnO适合于制作室温或更高温度下高效率受激发射器件。
图1 氧化锌六角纤锌矿结构图 图2 氧化锌能带结构图
在外观形貌方面，由于制备ZnO的方法不同，可以制备出各种形状的氧化锌纳米结构。其中最常见的有：纳米线[36]结构，此结构要求纵向在100nm以内，是一维结构；纳米棒[79]，此结构要求直径在100nm以内，是一维结构。除了以上的结构外，还有多脚结构[10,11]、纳米带[12,13]、纳米钉[1416]、纳米碟[17,18]等形貌结构。ZnO纳米结构有着独特的性质，其晶粒的细微化、表面的电子结构和晶体结构有着独特排列，所以ZnO纳米结构有的很多性质：表面效应、体积效应、荧光效应等。
图3是氧化锌的一些形貌结构图，从图中可以看出，氧化锌纳米结构的多样化。
图3 (a) ZnO纳米线 (b) ZnO纳米带
(c) ZnO纳米管 (d) ZnO纳米针
在光电性质方面，氧化锌纳米结构的本征发光区在380nm左右，其禁带宽度为3.37eV,所以其大于可见光的光子能量，可见光波长范围内不能引起ZnO的本征激发，那么其相对于可见光是透明的，所以ZnO可以作为透明材料。纳米结构的ZnO有着除传统结构的优点外还有：表面积大、光透过率高、活性高、稳定性好等特点。
1.3 纳米氧化锌的应用
由于氧化锌纳米结构的独特性质使其在光电探测器件、紫外发光器件、场发射器件、气体生物传感器件等方面有着独特的应用。
1.3.1 在光电探测器件方面的的应用
随着科学技术的发展，人们对光电探测器件的需求也逐渐提升。其中，紫外探测器是应用很广泛的器件，其在科研、军事、环保、太空等领域有着重要的应用。ZnO由于其独特的光电特性，让其在光电探测器件领域有着不可比拟的优势。
紫外探测器件主要有：ZnO基紫外探测器、光电导型紫外探测器、肖特基型紫外光探测器、PN结型紫外光探测器。其中ZnO基紫外探测器是在蓝宝石衬底上制备ZnO薄膜形成的。光电探测器工作原理是将光信号转换成电信号的过程，ZnO薄膜有着很好地光电性质，当光辐射照射，产生光生载流子，加电压形成光生电流。
由于氧化锌的禁带宽度为3.37eV,使得ZnO薄膜很适合制作光电探测器件，特别是在紫外探测器件等领域有着独特的优势。正是因为ZnO薄膜在光电探测器件的应用，优化了光电探测器件的功能，导致其应用领域的飞速发展。所以对ZnO的研究有着独特的意义。
1.3.2 在紫外发光器件方面的应用
目 录
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 纳米氧化锌的性质 2
1.3 纳米氧化锌的应用 3
1.3.1 在光电探测器件方面的的应用 3
1.3.2 在紫外发光器件方面的应用 4
1.3.3 在场发射器件方面的应用 4
1.3.4 在气体生物传感方面的应用 4
2 实验设备介绍 5
2.1 高温管式炉 5
2.2 扫描电子显微镜（SEM） 6
2.3 光学多通道分析仪(OMA) 7
3 氧化锌纳米材料实验原理与制备过程 8
3.1 实验原理 8
3.2 实验步骤 9
3.3 生长机理 10
3.3.1 气液固（VLS）生长机理 10
3.3.2 气固（VS）生长机理 10
4 表征与分析 11
4.1 SEM下形貌表征 11
4.2 TEM下的形貌表征 13
4.3 光电性质表征 14
结 论 16
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 研究背景
现如今科学技术飞速发展，纳米技术应运而生，早在20世纪90年代国外的物理学家采用分子束外延的方法在蓝宝石（Al2O3）衬底上得到了蜂窝状的ZnO薄膜[1]。至此，物理学家将关注点逐渐转移到ZnO *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
纳米结构上来。在多年的研究下，人们发现ZnO纳米结构拥有着很好的光电特性和尺寸效应，在紫外区有着很好的发光特性，其可能继GaN以来更好的半导体材料。所以ZnO在半导体材料方面的应用已然成为了目前光电领域的研究热点了。
1.2 纳米氧化锌的性质
在化学和物理性质方面，ZnO是一种双性氧化物，其拥有着独特的化学性质，在酸和碱中ZnO是可溶的，但ZnO不溶于水和乙醇，可被C在高温下还原成金属Zn，其在室温下为白色固体粉末，是一种针状的小颗粒，当其在高温下，显现出黄色，ZnO没有毒性，没有气味，密度约为5.61g/cm3。
在原子空间排布结构方面，ZnO具有六角纤锌矿结构，是一种直接带隙半导体材料，束缚激子结合能高达60meV，远远高于室温热离化能（26meV），ZnO纳米材料的激子在常温下可以稳定存在，室温下禁带宽度为3.37eV[2]，由于以上特性，导致ZnO适合于制作室温或更高温度下高效率受激发射器件。
图1 氧化锌六角纤锌矿结构图 图2 氧化锌能带结构图
在外观形貌方面，由于制备ZnO的方法不同，可以制备出各种形状的氧化锌纳米结构。其中最常见的有：纳米线[36]结构，此结构要求纵向在100nm以内，是一维结构；纳米棒[79]，此结构要求直径在100nm以内，是一维结构。除了以上的结构外，还有多脚结构[10,11]、纳米带[12,13]、纳米钉[1416]、纳米碟[17,18]等形貌结构。ZnO纳米结构有着独特的性质，其晶粒的细微化、表面的电子结构和晶体结构有着独特排列，所以ZnO纳米结构有的很多性质：表面效应、体积效应、荧光效应等。
图3是氧化锌的一些形貌结构图，从图中可以看出，氧化锌纳米结构的多样化。
图3 (a) ZnO纳米线 (b) ZnO纳米带
(c) ZnO纳米管 (d) ZnO纳米针
在光电性质方面，氧化锌纳米结构的本征发光区在380nm左右，其禁带宽度为3.37eV,所以其大于可见光的光子能量，可见光波长范围内不能引起ZnO的本征激发，那么其相对于可见光是透明的，所以ZnO可以作为透明材料。纳米结构的ZnO有着除传统结构的优点外还有：表面积大、光透过率高、活性高、稳定性好等特点。
1.3 纳米氧化锌的应用
由于氧化锌纳米结构的独特性质使其在光电探测器件、紫外发光器件、场发射器件、气体生物传感器件等方面有着独特的应用。
1.3.1 在光电探测器件方面的的应用
随着科学技术的发展，人们对光电探测器件的需求也逐渐提升。其中，紫外探测器是应用很广泛的器件，其在科研、军事、环保、太空等领域有着重要的应用。ZnO由于其独特的光电特性，让其在光电探测器件领域有着不可比拟的优势。
紫外探测器件主要有：ZnO基紫外探测器、光电导型紫外探测器、肖特基型紫外光探测器、PN结型紫外光探测器。其中ZnO基紫外探测器是在蓝宝石衬底上制备ZnO薄膜形成的。光电探测器工作原理是将光信号转换成电信号的过程，ZnO薄膜有着很好地光电性质，当光辐射照射，产生光生载流子，加电压形成光生电流。
由于氧化锌的禁带宽度为3.37eV,使得ZnO薄膜很适合制作光电探测器件，特别是在紫外探测器件等领域有着独特的优势。正是因为ZnO薄膜在光电探测器件的应用，优化了光电探测器件的功能，导致其应用领域的飞速发展。所以对ZnO的研究有着独特的意义。
1.3.2 在紫外发光器件方面的应用
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