Si基生長B摻雜ZnO納米結構及ZnO摻雜應用

支鵬偉,潘 婧,胡 軼,賈 哲,方向明,游秀芬

(太原學院 材料與化學工程系,山西 太原 030032)

0 引言

氧化鋅(ZnO)作為一種重要的工藝材料,在電子、光學和光子學領域等都有相當優(yōu)異的表現(xiàn)。由于ZnO在壓電和熱釋電方面所具有的特性,以及ZnO的纖鋅礦結構具有六方晶格結構、寬禁帶(3.37 eV)和大的電化學耦合,ZnO材料廣泛地應用于壓電傳感器和機械作動器等方面。本質上,ZnO是一種由于氧空位占據(jù)間隙鋅原子的N型半導體,具有化學和熱穩(wěn)定性。ZnO的穩(wěn)定性使其適用于透明導電氧化物材料。同時,由于ZnO在光電領域的優(yōu)異性能,ZnO在光電器件、太陽能電池異質結以及光伏應用等方面也都有著重要的開發(fā)和運用。近年來,ZnO作為寬禁帶半導體材料由于具有獨特的物理及化學性質,使其摻雜物的應用價值成為熱點,通常為了改善ZnO的許多物理性質,使用一些合適的三價離子,比如Al離子、In離子和B離子等。在摻雜方面的研究包括:B摻雜對ZnO結構和力學性能的影響,隨著B含量和外加載荷的增加,ZnO的表觀硬度值也在增加[1];采用電化學沉積法在P型Si襯底上制備不同B摻雜濃度的ZnO薄膜,ZnO的光學帶隙由于B的摻入而變窄;N作為共摻雜劑對C、B摻雜ZnO團簇的影響,與N摻雜ZnO相比,B和N共摻雜ZnO的電學性能得到了改善[2];在N摻雜的ZnO中,Li的共摻雜大大增強了ZnO的鐵磁性。N共摻雜在C和Cu摻雜的ZnO薄膜中表現(xiàn)出磁矩的增強。ZnO一維納米裝置在功能材料應用領域有巨大潛力,有望應用于光發(fā)射二極管、太陽能電池、紫外傳感器及聲電裝置等。制備ZnO的方法主要有:熱蒸發(fā)法、水熱法、磁控濺射法等。其中水熱法是指在特制的密閉反應器(高壓釜)內,以水溶液作為反應體系,通過對反應體系加熱,在反應體系中產生一個高溫高壓的環(huán)境進行無機合成與材料制備的一種有效方法。B摻雜ZnO薄膜由于在電傳輸及光催化等領域有顯著進展而倍受關注,采用B摻雜ZnO納米棒,其X射線衍射有明顯的變化,為進一步研究ZnO在電光領域上的應用提供了條件。

本研究的主要目的是研究不同質量分數(shù)的B摻雜對磁控濺射法和水熱法制備ZnO樣品的晶格結構的影響,對B摻雜ZnO的反應原理進行探究,同時對摻雜ZnO在不同領域的應用動態(tài)進行整理分析。

1 實驗

1.1 樣品的制備

在實驗中用磁控濺射法在Si片表面濺射一層30 nm的ZnO薄膜作為籽晶層,接著用水熱法配制相同摩爾濃度的乙酸鋅(Zn(Ac)2)和烏洛托品(HMT)溶液,并按Zn(Ac)2摩爾質量分數(shù)的5%加入H3BO3溶液,然后將其混合后攪拌10 min,制得反應溶液。之后將反應溶液倒入反應釜,將有籽晶層的Si片豎直放入反應釜中,密封反應釜并將其放入恒溫加熱干燥箱中,升溫至85 ℃,加熱3 h。再自然降至室溫,將Si片取出,用去離子水沖洗,在空氣中自然晾干,在Si片表面有一層白色物質生成,即為ZnO納米棒。

1.2 形貌測定與性質表征

實驗采用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi SU70)觀察生長樣品的顯微結構形貌。用X射線衍射儀(XRD,Bruke D8 advance Cu Kα波長為0.154 nm)分析樣品的結構與成分。

2 結果與討論

2.1 樣品形貌

圖1是不同質量分數(shù)下B摻雜ZnO納米棒的SEM圖像,(a)-(d)的B摻雜質量分數(shù)分別為0%、1%、3%和5%。從圖中可以看出未摻雜及少量摻雜B時ZnO納米棒的直徑大約為70 nm,當摻B量增大時,ZnO納米棒的直徑明顯加大,摻雜至5%時平均直徑達到180 nm。

(a)、(b)、(c)、(d)中B質量分數(shù)分別為0%、1%、3%、5%

圖2 不同B摻雜濃度的XRD圖譜

2.2 樣品表征

圖2為不同B摻雜濃度的XRD圖譜,橫坐標2θ表示衍射角,縱坐標Intensity表示摻雜質量分數(shù),(a)—(d)的B摻雜質量分數(shù)分別為0%、1%、3%和5%。摻雜前34.69° 的2θ衍射角對應于六方纖鋅礦結構的ZnO(002)面衍射峰,摻入少量B(1%)時,衍射角仍為34.69°,隨著B摻雜質量分數(shù)的增加,衍射角逐漸增大,當B摻雜濃度為5% 時衍射角增大至34.95°。由布拉格方程:2dsinθ=nλ(d為相鄰兩個晶面之間的距離,θ為入射光線或反射光線與晶面的交角,λ為X射線波長,n為衍射級數(shù))可知,XRD衍射角影響其晶格常數(shù)的變化,說明B已摻雜進ZnO內部晶格,導致晶格發(fā)生變化,晶格常數(shù)變小。此外可以看出ZnO(002)面衍射峰強度明顯高于其它峰位,說明所制備的ZnO納米棒成陣列排列,取向性好。

3 生長機制的分析

生成ZnO納米棒過程的主要化學反應如下:

C6H12N4+6H2O → 6CH2O+4NH3

(1)

NH3+H2ONH4++OH-

(2)

Zn2++2OH-ZnO+H2O

(3)

Zn2++2OH-Zn(OH)2ZnO+H2O

(4)

在反應體系中,C6H12N4的主要作用就是在水中分解,釋放出OH-,使溶液中的Zn2+與OH-相互作用生成ZnO晶核。而溶液中加入B離子,從SEM圖像上來看,很可能抑制其ZnO(002)縱向生長,加速其側面生長,從而使ZnO納米棒直徑增大。

實驗中采用水熱的方法在Si襯底上生長出B摻雜ZnO納米棒,隨著B摻雜濃度的增加,ZnO納米棒直徑增大。通過XRD圖譜分析出B摻雜后,ZnO晶格常數(shù)發(fā)生變化,說明B摻入至ZnO晶格內部。通過討論B摻雜ZnO的反應原理及B對反應體系的影響,有利于進一步研究不同元素摻雜ZnO在不同領域的應用。

4 ZnO摻雜應用

在不同的金屬氧化物中,ZnO的直接光學帶隙較寬(約3.3 eV),具有較高的激子結合能(60 MeV),遠遠高于ZnSe(20 MeV)和GaN(21 MeV)。ZnO還具有較高的透射率、較低的電阻率以及較高的抗輻射損傷能力[3]。同時,ZnO的制備溫度低于ZnSe和GaN。ZnO是一種無毒材料,可用于皮膚保護和抗菌試劑。由于ZnO的這些突出性質,在許多光電和光學應用中ZnO成為最引人注目的一種材料。

ZnO的光學性質可以通過摻雜和調整禁帶寬度來改善。ZnO可用作紫外或藍光發(fā)射材料,對于太陽能電池來說也是一種特別的理想材料。在異質結二極管、薄膜晶體管和傳感器的應用中,ZnO都是一種關鍵的技術材料。ZnO薄膜可以用于紫外線吸收劑、光學探測器、化學傳感器、光伏器件、聲表面波器件、窗口電極、氣體傳感器、光催化劑和發(fā)光器件等。基于ZnO材料的傳感器是電阻式化學傳感器,它的傳感過程主要是氧分子在傳感材料表面的吸附-解吸過程引起電阻的變化[4]。在有機污染物的去除中,ZnO被認為是一種很合適的半導體光催化劑。ZnO是一種生態(tài)友好的材料,對人類健康和環(huán)境沒有危險影響。ZnO最大的便利之處在于它能夠吸收大光譜區(qū)域的太陽光,故能比其他金屬氧化物半導體吸收更多的光量子,而且與其他金屬氧化物相比成本非常低,光敏性高,環(huán)境穩(wěn)定性好。低成本、光催化效率高的半導體光催化劑為環(huán)境凈化和光能轉化為化學能提供了強大的動力。摻雜ZnO的光催化活性增強,進一步提高了有機污染物的去除和降解效率,因此摻雜ZnO被廣泛地用作減少空氣和水中有機污染物的光催化劑[5]。

通過使用摻雜劑取代鋅原子,主要是IIIA族元素,如B、Al、Ga和In,可以增強ZnO的性能。在有關銦摻雜ZnO的文獻研究中發(fā)現(xiàn),使用最多的關鍵詞是“ZnO”“光致發(fā)光”“光學性能”“薄膜”和“摻雜”,這些結果表明,摻銦ZnO薄膜的結構、光學和電學特性在應用中的重要性[6]。

摻雜ZnO納米顆粒在醫(yī)學中的應用也已經引起了相當大的關注,對于改進生物的相容性和一些多功能特性,包括先進的藥物輸送系統(tǒng),納米麻醉劑和體內成像,ZnO納米顆粒由于其獨特的物理和化學性質而被廣泛應用。ZnO納米顆粒的表面體積比較大,尺寸較小,具有抗菌活性,光催化和半導體性能。這些性能允許ZnO納米顆粒作為新一代物理治療中的抗癌藥物,納米抗生素和骨組織再生的骨誘導劑。作為癌癥治療劑,摻雜的ZnO納米顆粒顯示出對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌增強的抗菌性,成為對抗細菌感染和治療癌癥的有力武器。摻雜ZnO納米顆粒也已經成功地運用到磁共振成像系統(tǒng)[7]。作為一種具有抗菌性能的無機化合物,ZnO是人體必需的礦物質,在少量使用時表現(xiàn)出強烈的活性,很容易取代抗生素,ZnO的抗菌性能也可應用于食品包裝和壓力容器中[8]。

實驗上,使用脈沖激光沉積合成的N摻雜ZnO已經顯示出調頻。在化學氣相沉積中用NH3和一個磷酸鹽合成了P型ZnO[2]。此外,由于ZnO可以沉積形成不同的納米結構,如納米線、納米環(huán)、納米棒、納米纖維、納米球和納米帶,可以說,ZnO是最豐富的金屬氧化物中的納結構家族。由于這些納米結構的沉積成本較低,通過簡單的方法在ZnO材料中摻入一些合適的三價離子來優(yōu)化ZnO材料的物理性質,可以確保摻雜的ZnO材料在工業(yè)生產和生活中有更密集的應用。