基于准一维CdS纳米结构的合成及应用

蔡家骏，江鹏

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥230009)

近年来，准一维半导体纳米结构，如纳米线(Nanowires)、纳米带(Nanobelts)和纳米管(Nanotubes)等控制合成与光电子器件应用引起了人们的关注。其具有单晶的晶体质量，优良的光电特性，既可用于研究低维尺度下基本的物理过程，又可作为组件构筑高性能纳米光电子器件。对它们的研究，有望突破器件小型化的限制，在后摩尔定律时代获得重要应用，并得到新一代纳米光电器件，对科技的发展产生深远影响。

CdS是一种重要的II－VI族半导体材料，其室温禁带宽度为2.42 eV［1］，CdS薄膜与体材料已广泛应用于可见光探测、光伏等重要领域。CdS纳米结构具有许多优秀的性质，如随尺寸可调的发光波长、室温激光发射、高增益光电探测等。因此，CdS纳米结构的控制合成及其在光电子器件应用的研究已成为纳米材料领域的研究热点之一。基于一维CdS纳米结构制作出了一系列的纳米器件如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，金属半导体场效应晶体管(MESFETs)，逻辑电路(Logic Circuits)，光电开关(Photoelectric Switch)，传感器(Sensor)及发光二极管(LED)等［2］。

1 一维CdS纳米结构的合成

1.1 纳米线

气相合成方法(Vapor－Phase Synthesis)是合成纳米线的普遍方法。在气相合成中可以通过对若干实验参数的适当调节来控制合成纳米线的长度、粗细和质量。Wu C Y等人采用热蒸发的方法［3－4］，在850℃、39.9 kPa及镀金硅片作为基底等条件下合成出高质量的CdS纳米线，其直径在50～200 nm之间，长度为几十μm，如图1所示。

图1 CdS纳米线的SEM图

1.2 纳米管

模板法是合成一维纳米管的一种重要方法。该方法利用矾土和聚碳酸脂的多孔薄膜，通过退火等工艺将前驱物沉积在孔里，从而制备出相应的纳米管。Shen X P等人［5］用此方法合成出CdS纳米管，图2(a)是CdS纳米管的俯视图，能看到纳米管的外部半径大约为80～150 nm。图2(b)是纳米管的拉曼光谱，其显示出与CdS体结构相同的晶体结构。

图2 合成的CdS纳米管图

1.3 纳米带

不同于纳米线，纳米带的截面是长方形的，其具有明确的几何形态和高质量的晶体结构。Zhang J等人［6］在850℃温度下，用气相输运法合成CdS纳米带，纳米带的宽度为几十μm，厚度为几百nm。图3(b)显示了CdS纳米带的拉曼光谱，图中明显出现了CdS的两个特征峰。

图3 CdS纳米带拉曼光谱图

1.4 纳米棒阵列

纳米结构阵列的生长对于制备高性能纳米器件非常重要。Chen F等使用水热法合成出CdS纳米棒阵列(Nanorods)［7－8］，其使用的溶液组成是1 mmol的Cd(NO3)2·4H2O、3 mmol硫脲和0.6 mmol谷胱甘肽。该方法将刻蚀过的ITO玻璃放在高压消毒蒸锅的底部，封闭保温200℃，并持续3.5 h。沉积结束，使用纯净水清洗且使其自然干燥。图4(a)显示的是CdS阵列的截面SEM图，从图中可看出，合成纳米棒的形貌比较均匀，直径100 nm左右，长度在300～400 nm。图4(b)是CdS的XRD图谱，除了一些ITO的峰位外，其它峰位均显示了CdS纳米棒是纤维锌矿结构。

图4 CdS的XRD图谱

2 一维CdS纳米结构的应用

2.1 场效应晶体管(FETs)

2.1.1 金属氧化物半导体场效应晶体管

一维纳米结构可用来制备场效应管，这些场效应管是制备电子器件的基本元件。Wu D等人［9］制备出基于CdS∶P纳米带的顶栅MOSFETs，如图5所示。制备过程如下，首先将纳米带分散在溶剂中，然后将其转移到SiO2/Si基底上，SiO2层下的底部基底采用的是重掺杂的p+－Si，重掺杂的p型Si是用来制备底部栅极。随后，使用光刻法和热蒸发法制备金属源漏电极，其中电极材料为金属铟(In)，In电极能与CdS纳米带形成较好的欧姆接触。随后采用光刻法和电子束制备出栅极绝缘层和金属顶栅，从而制备出金属氧化物场效应管(MOSFETs)，其中栅极绝缘层使用的是高电介质材料氧化铪(HfO2)。并将顶栅和底栅结构作对比。相比于底栅器件，带有高电介质层的顶栅MOSFETs性能明显提高，其工作电压从±25 V降到±5 V，亚阈值摆幅从＞25 V(dec)降到200 mV(dec)，跨导从7.3 nS升到0.87 μS，且开关比从10上升到107。

图5 CdS纳米带FET结构示意图

图5所示为基于CdS纳米带FET底栅图5(a)和顶栅图5(b)的结构示意图，图5(c)顶栅结构的SEM图，图5(d)顶栅MOSFET的输出特性曲线，图5(e)顶栅MOSFET的转移特性曲线。2.1.2金属半导体场效应晶体管

金属半导体场效应管(MESFETs)是另一种重要的场效应管(FET)。不同于MOSFETs，MESFET的漏源电流是由肖特基栅控制。MESFET的性能是由半导体肖特基和欧姆接触的质量决定。Dai L等［10］制作出的基于单根CdS纳米带MESFETs，如图6所示。此CdS纳米带MESFETs显示出n型沟道特性:低阈值电压，高跨导低亚阈值摆幅和高电流开关比。

图6 单根CdS纳米带MESFETs

图6(a)为单根CdS纳米带MESFET的SEM图，图6(b)是MESFET在不同栅压下的输出特性曲线。

2.1.3 逻辑电路

场效应晶体管的电学开关功能是组成多功能电路的基础，很多器件是利用肖特基结构的基于单根CdS纳米线高性能MESFETs，Ma R M等人［11］利用基于CdS纳米带的两个MESFETs成功制备了纳米逻辑“非”门电路。CdS纳米带反相器具有很高的电学性能，电流开关比为107，较低的开启电压和亚阈值摆幅。

图7 纳米反相器图

图7所示，图7(a)和图7(b)为纳米反相器示意图，图7(c)为纳米反相器的传输特性，图7(d)为反相器的增益。

2.2 光电探测

Jie J S等［12］对基于单根CdS纳米带的纳米光电探测器(Photodetectors)进行了研究，其器件结构和电学特性如图8所示，图8(a)是基于硫CdS单根纳米带的光电探测器件的光谱响应，插图分别是器件扫描电镜图片和测试示意图，图8(b)为光谱响应图和PL谱以及吸收谱的对比。通过对光谱响应、光强响应和时间响应得电学参数分析发现，CdS纳米带光电探测器件比基于硫化镉薄膜和体材料的光电探测器件有更快的响应速度、更高的灵敏度。该研究还表明纳米带的尺寸对响应速度有很大的影响，尺寸越小的纳米带响应速度更快。

图8 器件结构和电学特性图

2.3 发光二极管(LEDs)

Lieber等［13］制备出基于n－CdS纳米线及p－Si基底形成异质p－n结，在一定偏压下能观察发光现象，如图9所示。该器件在顶部和底部沉积了Al2O3薄膜层，使得电流能够通过p－Si/n－CdS二极管，如图9(a)所示。图9(b)显示此器件在较低的偏压下，外露的纳米线末端就能产生电致发光。

图9 CdS纳米线发光器发光现象

如图9(a)为基于CdS纳米线的发光器件示意图，衬底采用重掺杂的p+－Si，图9(b)是发光器件的发光对比图。

3 小结及发展前景

准一维CdS纳米结构的合成方法多种多样，合成出的具体形貌也千差万别，有纳米线，纳米带，纳米管及纳米棒等，且各种合成方法有其优缺点。但根据具体的需求和条件，通过对各种具体参数的调节，可以合成出需要的CdS纳米结构。并且可以通过高质量的准一维CdS纳米结构制备出高性能器件，基于其的多种场效应管，发光器件和光电传感器都已经被制备出来。

但是，一维CdS纳米结构的合成和器件制备大多还处在实验阶段，若实现大规模工业生产，还有很多工作要做。同时因其具有独特的光电化学性能，广泛应用于光化学电池和储能器件，在光致发光、电致发光、传感器、光催化等许多领域有着广泛应用，随着各种问题的深入研究和对困难的克服，相信准一维纳米CdS结构会有更广泛的应用。

［1］ 余凤斌，陈福义，介万奇．CdS半导体纳米晶的生长及其光谱研究［J］．功能材料，2006，37(11):1835－1837．

［2］ ZHAI T Y，FANG X S，LI L，et al．One－dimensional CdS nanostructures:synthesis，properties，and applications［J］．Nanoscale，2010，2(2):168－187．

［3］ WU C Y，JIE J S，WANG L，et al．Chlorine－doped ntype CdS nanowires with enhanced photoconductivity［J］．Nanotechnology，2010，21(50):505203－505210．

［4］ 刘春霞，严文，范新会，等．用热蒸发法制备CdS纳米带［J］．材料科学与工程学报，2005，23(1):102－104．

［5］ SHEN X P，YUAN A H，WANG F，et al．Fabrication of well－aligned CdS nanotubes by CVD－template method［J］．SolidStateCommunications，2005，133(1):19－22．

［6］ ZHANG J，JIANG F H，ZHANG L D．Fabrication of single－crystalline semiconductor CdS nanobelts by vapor transport［J］．J．Phys．Chem．B，2004，108(22):7002－7005．

［7］ CHEN F，ZHOU R J，YANG L G，et al．One－step fabrication of CdS nanorod arrays via solution chemistry［J］．J．Phys．Chem．C，2008，112(35):13457－13462．

［8］ 唐文华，邹洪涛，刘吉平，等．纳米硫化镉液相合成及其研究进展［J］．无机盐工业，2006，38(7):9－13．

［9］ WU D，JIANG Y，WANG L，et al．High－performance CdS:P nanoribbon field－Effect transistors constructed with high－k dielectric and top－gate geometry［J］．Appl．Phys．Lett，2010，96(12):113118－113120．

［10］ MA R M，DAI L，QIN G G．High－performance nanoschottky diodes and nano－MESFETs made on single CdS nanobelts［J］．Nano Lett，2007，7(4):868－873．

［11］ MA R M，DAI L，HUO H B．High－performance logic circuits constructed on single CdS nanowires［J］．Nano Lett，2007，7(11):3300－3304．

［12］ JIE J S，ZHANG W J，JIANG Y，et al．Photoconductive characteristics of single－crystal CdS nanoribbons［J］．Nano Lett，2006，6(9):1887－1892．

［13］ AGARWAL R，LIEBER C M．Semiconductor nanowires:optics and optoelectronics［J］．Appl．Phys．A，2006，85(3):209－215．