【摘要】：ZnO作為一種新型半導(dǎo)體材料,室溫下其激子結(jié)合能是60 meV,禁帶寬度約為3.37eV。由于ZnO在電學(xué)特性、能帶結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等方面具有特殊性質(zhì),成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究的重點,廣泛的應(yīng)用于發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管、氣敏器件、電阻開關(guān)存儲器、透明導(dǎo)電膜、太陽能電池以及平面顯示器等各個領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對器件的各項性能提出了更高的要求,這就需要不斷發(fā)展新型的技術(shù)來調(diào)控和改善器件的性能。ZnO薄膜由于具有大的比表面積、豐富的表面態(tài),吸附在表面的氣體分子可以通過調(diào)控表面電荷及表面態(tài),改變薄膜的功函數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)和電子遷移率等特性。表面吸附的各種氣體是產(chǎn)生和調(diào)控表面態(tài)的重要方式,在調(diào)控電學(xué)傳輸和光電器件性能方面具有重要作用。但是,目前缺少直接調(diào)控氣體吸附的有效手段。在本論文中,基于我們課題組在摩擦納米發(fā)電機(TENG)電離空氣方面前期工作的基礎(chǔ),該論文提出了氣體離子?xùn)诺男滦驼{(diào)控手段,實現(xiàn)了對ZnO電學(xué)傳輸特性的有效調(diào)控,并發(fā)展出新型的電阻開關(guān)器件。本論文主要包括以下幾個部分:在第一章緒論中,首先介紹了研究背景。列舉出ZnO納米材料的基本性質(zhì)及其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的研究進展。介紹了表面態(tài)對ZnO光電傳輸特性的重要影響,以及人們在調(diào)控表面態(tài)方面開展的研究工作。研究表明,氣體吸附是一種重要的表面態(tài)。但是,目前仍然缺少直接調(diào)控氣體吸附的有效手段。因此,需要提出一種有效的方法調(diào)控ZnO薄膜表面態(tài)。結(jié)合本課題組前期基于TENG電離氣體的工作基礎(chǔ),提出了本論文基于TENG發(fā)展氣體離子?xùn)耪{(diào)控技術(shù)的研究思路。在第二章中,介紹了基于TENG所建立的氣體離子?xùn)耪{(diào)控技術(shù),及其對ZnO薄膜電學(xué)傳輸特性的調(diào)控。本文采用原子層沉積技術(shù)(ALD)在插齒電極上制備ZnO納米薄膜。介紹了氣體離子?xùn)耪{(diào)控技術(shù)的實驗方法,研究了氣體離子?xùn)耪{(diào)控ZnO薄膜電學(xué)傳輸特性的機制。對照實驗表明,在正極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控中起主要作用的離子是N_2~+,在負(fù)極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控中起主要作用的離子是O_2~-。在氣體離子?xùn)诺恼{(diào)控下,ZnO薄膜的電流在10~-1010 A和10~-22 A之間反復(fù)變化,開關(guān)比高達(dá)8個數(shù)量級,實現(xiàn)了低阻態(tài)和高阻態(tài)之間反復(fù)、可逆的相互轉(zhuǎn)換。器件在正極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控下,響應(yīng)時間常數(shù)為0.25 s;負(fù)極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控下,回復(fù)時間常數(shù)為0.12 s。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種可逆的、非易失性的、由雙極性氣體離子控制的電阻開關(guān)器件。在第三章中,研究了氣體離子?xùn)排c紫外光共同調(diào)控下的電阻開關(guān)特性。首先,研究了負(fù)極性氣體離子?xùn)排c紫外光照共同調(diào)控下ZnO薄膜的電阻開關(guān)特性。在這種電阻開關(guān)中,UV光照可以使O_2~-從ZnO薄膜表面脫附,產(chǎn)生低電阻態(tài);負(fù)極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控可以使O_2~-再次吸附在薄膜表面,產(chǎn)生高電阻態(tài)。與傳統(tǒng)的UV光照下的光電流開關(guān)相比,O_2~-作為負(fù)極性氣體離子?xùn)耪{(diào)控的主要離子,能夠快速吸附于薄膜表面,顯著提高了開關(guān)的回復(fù)速度。同時,將紫外光和正、負(fù)氣體離子?xùn)耪{(diào)控相結(jié)合,使器件可以達(dá)到三重態(tài)的電阻轉(zhuǎn)變,為發(fā)展多態(tài)的電阻開關(guān)存儲器件提供了條件。通過本論文的研究,我們提出了基于TENG的氣體離子?xùn)耪{(diào)控新技術(shù),并利用該技術(shù)實現(xiàn)了對ZnO薄膜電學(xué)傳輸特性的有效調(diào)控。以此為基礎(chǔ),發(fā)展了新型的電阻開關(guān)存儲器。這些研究結(jié)果為調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的表面態(tài)、發(fā)展新型高性能的光電器件提供了新的思路和方法。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386;TN304
【圖文】：

纖鋅礦結(jié)構(gòu)[6]，如圖 1-1 所示。對于這三種晶體結(jié)構(gòu)來說，纖鋅礦結(jié)構(gòu)在室溫下存在，且其熱力學(xué)結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的。巖鹽礦結(jié)構(gòu)與閃鋅礦結(jié)構(gòu)的存在條件是十分苛刻的，巖鹽礦結(jié)構(gòu)在高壓情況才能獲得，閃鋅礦結(jié)構(gòu)必須在六方結(jié)構(gòu)的基底上才能生長并且穩(wěn)定存在。這就意味著通常情況下，ZnO 為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 a=0.32498 nm，c=0.52066 nm[7]。這種正四面體配位形式會導(dǎo)致 ZnO 的結(jié)構(gòu)不對稱，這種不對稱的晶體結(jié)構(gòu)，使得其具有獨特的熱電性和壓電特性[8-10]。綜合 ZnO 的優(yōu)異的特性，其已經(jīng)變成今后各個領(lǐng)域關(guān)注的焦點。

圖 1-2 ZnO 納米線的(a)壓電特性；SEM(b)彎曲時和(c)回復(fù)時間我們課題組通過使用單根的 ZnO 納米線制備了紫外光探測器結(jié)果表明單根納米線與金屬電極的接觸是非對稱的，并且構(gòu)成構(gòu)[12]。探究了肖特基勢壘紫外光檢測器的光電流機制與回復(fù)過是該器件性能提高的根本原因。這種器件不僅回復(fù)時間很快，紫外光響應(yīng)和回復(fù)性能如圖 1-3 所示。

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本文編號：2736340