潘思明，高 紅 ，郎 穎 ，李 凱 ，唐欣月，顧海佳

(哈爾濱師范大學)

0 引言

隨著微電子技術的快速發(fā)展，納米材料成為納米科技領域最富研究內涵的科學分支.一維ZnO納米材料由于其高比表面積［1］、高激子束縛能(60 meV)和寬禁帶寬度(3.37 eV)等引起大家的廣泛關注［2］.摻雜可以改變ZnO納米材料的生長習性，改變其晶體形貌，同時改善其光電性能［3］，因此一維摻雜ZnO納米材料已經成為人們研究的重點.目前，研究人員已經成功將B、Al、Ga、N 等元素摻雜到 ZnO 納米材料中［2，4-5］.摻雜后的 ZnO納米材料在力、熱、光、電等方面［6-7］都表現(xiàn)了更好的性能，可廣泛應用于紫外探測器、傳感器、壓電轉換器、場效應晶體管等.

In是一種有效的n型摻雜元素，In摻雜的ZnO納米材料表現(xiàn)出非常好的導電性能和光傳輸性能，In的原子半徑與Zn的原子半徑十分接近，所以In摻雜不易引起晶格突變.目前，關于In摻雜ZnO納米材料合成的研究報道很多［8-11］，但是關于In摻雜ZnO納米材料電學性能的研究較少.基于以上分析，筆者選取In摻雜ZnO納米帶為研究對象.以ZnO和In2O3為前驅物，采用化學氣相沉積方法(CVD)合成了In摻雜ZnO納米帶，并對其形貌成分進行表征，同時利用微柵模板法［12-13］制備了In摻雜ZnO納米帶光電器件，研究其伏安特性曲線及紫外光敏特性.

1 實驗

In摻雜ZnO納米帶是采用CVD方法在高溫管式爐中合成的.取 ZnO粉1.0 g和 In2O3粉0.2 g的混合物作為前驅物，放在剛玉舟上，置于高溫爐的中心位置，使源處于最高溫度處，在源下游依次擺放鍍有2 nm厚Au的Si(100)片作為材料的襯底.反應過程中，高溫爐內壓強始終保持為1000 Pa，N2作為載氣，流量為300 sccm.反應室以5-8℃/min的速度升溫到1450℃，保持在這個溫度20 min，然后冷卻到室溫.待取出襯底后，在Si片上沉積了淡黃色的絮狀物體.利用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi，S-4800，Japan)，X 射線能譜儀(EDX，Hitachi，S-4800，Japan)，X射線衍射儀(XRD，Rigaku，D/maxrb，Japan)對合成樣品的形貌和結構進行表征.

采用微柵模板法制備微電極.利用靜電吸附原理提取單根In摻雜ZnO納米帶置于覆有300 nm厚 SiO2絕緣層的 Si片上，將大小為200 μm ×200 μm、金屬框寬度為 15 μm 的掩膜板放在提取完樣品的Si片上，并使其與Si片緊密接觸.利用WDY-V型電子衍射儀濺射Ti/Au微電極.微電極制備成功后對器件進行退火處理，最后利用銀膠將銀絲引出作為電極，制得光電器件.利用半導體參數測試儀(Agilent B1500A)在室溫大氣環(huán)境下對器件進行伏安特性測試和光響應曲線測試.

2 結果與討論

圖1為In摻雜ZnO納米帶的SEM圖象，可以看出In摻雜ZnO納米帶樣品具有均勻的帶狀形貌，產量也很高，布滿整個Si襯底.合成的納米帶長度約為幾十微米，寬度約為幾百納米.大多數納米帶都具有較大的長寬比.

圖1 In摻雜ZnO納米帶的SEM圖象

為了確定In摻雜是否成功，對樣品進行了能譜測試.圖2為In摻雜ZnO納米帶的EDX圖象，可以看出納米帶中有In，Zn，O三種元素.

圖2 In摻雜ZnO納米帶的EDX圖象

圖3為In摻雜ZnO納米帶的XRD圖象，標定后的結果如圖3所示，根據X射線衍射峰特征峰譜，這些衍射峰都與纖鋅礦結構ZnO的衍射峰峰位相符，且無其他雜峰.這表明樣品中并無其他結構產生，樣品為In摻雜ZnO納米帶結構.

圖3 In摻雜ZnO納米帶的XRD圖象

為了比較ZnO納米帶和In摻雜ZnO納米帶的導電能力，在室溫、暗環(huán)境下，分別測試ZnO納米帶和In摻雜ZnO納米帶的伏安特性曲線.可以看出隨著電壓的升高，電流均是成線性增加的，這表明組成器件的ZnO納米帶和In摻雜ZnO納米帶與電極之間形成了歐姆接觸.如圖4所示，黑色虛線為純ZnO納米帶的伏安特性曲線，紅色實線為In摻雜ZnO納米帶的伏安特性曲線.對比可知，In摻雜ZnO納米帶的電阻遠遠小于純ZnO納米帶的電阻.計算得出，In摻雜ZnO納米帶的電阻約為0.15 MΩ，ZnO納米帶的電阻約為7.5 MΩ，為 In摻雜 ZnO納米帶的50倍.這是由于輕摻雜時，雜質原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產生施主雜質能級，施主能級上的電子躍遷到導帶所需能力比從價帶躍遷到導帶小得多.同時，In原子的輕摻雜可以提高載流子濃度，躍遷到導帶的電子多于純ZnO納米帶，從而使得In摻雜ZnO納米帶的導電能力遠高于純ZnO納米帶［14-15］.圖4的插圖為跨 Ti/Au電極的納米帶的SEM圖象.

圖4 室溫暗環(huán)境下ZnO納米帶和In摻雜ZnO納米帶的伏安特性曲線;插圖為跨Ti/Au電極的納米帶的SEM圖象

圖5(a)和圖5(b)分別為In摻雜ZnO納米帶和ZnO納米帶器件在暗環(huán)境和紫外光照下的I-V特性曲線，圖5(a)的插圖為源漏電壓為1.5 V時In摻雜ZnO納米帶器件的光響應曲線.由圖5(a)可知，In摻雜ZnO納米帶對紫外光具有一定的敏感性，但開關比(1.3)數值不是很高.由圖5(b)可知，ZnO納米帶暴露在紫外光源下，電流有明顯變化，器件對紫外光的開關比為25.5，約為In摻雜ZnO納米帶的20倍.可以看出純ZnO納米帶對紫外光的敏感性遠高于In摻雜ZnO納米帶.

圖5

3 結論

利用CVD方法合成了樣品，通過SEM圖、EDX圖、XRD圖可以看出樣品為形貌均勻、長寬比大的In摻雜ZnO納米帶.利用微柵模板法制備歐姆接觸的光電器件.由伏安特性曲線可知，In摻雜可以大大提高ZnO納米帶的導電能力，In摻雜ZnO納米帶的電阻僅為純ZnO納米帶的1/50.由光響應特性曲線可知，ZnO納米帶器件的開關比為In摻雜ZnO納米帶的20倍.可以得出，In摻雜ZnO納米帶由于其高導電性可被用于制作納米電極，但是如果想制備光電傳感器，利用純ZnO納米帶更合適.

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