关于准一维ZnSe纳米结构的合成与应用

王 志，李方泽

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

关于准一维ZnSe纳米结构的合成与应用

王 志，李方泽

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

硒化锌是Ⅱ－Ⅵ族中重要的宽禁带半导体材料，其禁带宽度为2.7 eV，是理想的蓝光探测器材料。准一维ZnSe纳米结构的合成有多种，如纳米带、纳米线、纳米棒等。由于纳米材料与薄膜材料相比具有表面积大、量子效应等独特的物理及化学特性，使得基于纳米材料的纳米器件在过去的几年内被广泛的制备与研究。目前准一维ZnSe纳米材料已经制备出多种纳米器件，文中将对ZnSe纳米结构的合成以及应用作介绍。

硒化锌;纳米结构;器件

准一维纳米结构(如纳米线［1］，纳米带［2］，纳米棒［3］)的合成、掺杂被广泛的关注与研究。纳米材料具有大的比表面积、高的表面活性以及气体相互作用强，对周围环境十分敏感等这些奇特的物理化学性质，使得基于纳米材料的纳米电子和光子器件有着广泛的应用前景，半导体纳米结构已经成为下一代纳米光电器件的潜在基石。

ZnSe作为Ⅱ－Ⅵ族半导体材料，在室温下禁带宽度为2.7 eV［4］，这些特性使得其在高性能的发光二极管(LED)［5］、短波激光器［6］以及其他光电探测器等方面具有潜在的应用。目前，由ZnSe纳米材料制备的纳米器件有很多种。比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、光电探测器，p－n结等器件。

1 准一维ZnSe纳米材料的合成

1.1 纳米线的合成

化学气相沉积法(CVD)是准一维半导体纳米材料常用的合成方法之一。在合成的过程中通过控制腔内气体的压强，气体的流量，加热时间以及温度等来调节纳米结构的形貌、大小、粗细等。Song等人［4］在三温区管式炉中通过用传统的化学气相沉积法在5 nm厚的蒸金硅片，通过控制腔内温度在1 050℃，压强在100 mbar，生长2 h的ZnSe纳米线，如图1所示。

图1 ZnSe纳米线的扫面电子显微镜图片

1.2 纳米带(Nanoribbon)的合成

制备纳米结构的另一种方法是湿化学法(Wetchemical Routes)。所谓湿化学法是有液相参加，通过化学反应制备的纳米材料的方法，如化学液相沉积、电化学沉积等。Wang等人［2］通过在水合肼和二乙醇胺的混合液中，在140℃对硒和锌粉末用溶剂热处理并保持24 h在锌衬底上制备了大规模ZnSe纳米带阵列。他还指出ZnSe纳米结构的形貌完全依赖水合肼和二乙醇胺的混合比例，制备出来的纳米带的厚度40 nm，长度 50 μm，厚度 100 nm。如图 2 所示。图2(a)和图2(b)为ZnSe纳米结构的扫面电子显微镜;图2(c)是电子能谱;图2(d)～图2(g)为ZnSe纳米结构的高分辨以及选区电子衍射。

图2 ZnSe纳米结构的扫面电子显微镜、电子能谱、高分辨以及选区电子衍射

1.3 纳米棒的合成

模板法(Template Synthesis)是制备一维纳米材料的方法之一，是通过物理或化学方法将相关材料沉积到模板的孔中，然后转移得到纳米材料的过程。这种方法适合准一维纳米材料的批量生产，在电子平板领域应用广泛。Lü等人［3］利用表面活性剂软模板法制备了单晶ZnSe纳米带，其直径和长度分别在16～20 nm和120～270 nm。如图3所示，图3(a)为ZnSe纳米带的扫描电子显微镜图;图3(b)是ZnSe纳米带的高分辨，插图为选区电子衍射。

图3 ZnSe纳米带的扫描电子显微镜和高分辨图

2 准一维ZnSe纳米材料的掺杂

为提高纳米材料的电学和光学应用，可控的n型和p型掺杂是有必要的。因为本征的纳米材料在一定温度下只能通过本征激发产生载流子，而这种载流子的作用较小。因此纳米材料的掺杂将是制备纳米器件的前提条件。

n型和p型ZnSe纳米材料的掺杂:n型半导体是掺入施主杂志，施主杂质电离后产生多余的载流子，其主要依靠导带电子导电。而p型半导体是掺入受主杂质，杂质电离后产生多余的空穴，其主要依靠空穴导电。由于n型半导体电子浓度依赖导带底的位置，p型空穴浓度则依赖价带顶的位置，对于ZnSe其导带底较低而价带顶也较低，因此使得p型ZnSe纳米材料易于实现n型掺杂而不易实现p型掺杂。目前报道的n型 ZnSe掺杂主要有锰［7］、银［8］、铜［9］等。而 p 型高浓度的掺杂却较少报道。因此克服p型掺杂实现高浓度的p型纳米材料也是值得研究的问题。n型和p型的掺杂实现为制备纳米异质结、纳米同质结以及互补性纳米器件打下基础。

3 准一维ZnSe纳米材料的应用

随着芯片制造技术的不断突破，基于纳米材料的纳米器件已被广泛研究，从第一个纳米晶体管的诞生，科学家已经在努力将其集成在一起，实现集成电路的特定功能。近几年来，随着纳米材料的多样化合成，纳米器件也呈多样化出现。如场效应器件(MOSFET、MESFET)、传感器、光电探测器件等。

3.1 纳米场效应器件

场效应器件(FET)是通过控制栅极电压实现对源漏电流的控制。纳米场效应器件是电子器件的最基本单元，是纳米逻辑电路的制造基础，目前各种纳米场效应器件被研制成功。Zhang等人［10］通过在化学气相沉积合成p型ZnSe纳米材料的同时，还研究了ZnSe纳米器件的场效应特性以及退火对纳米材料的影响。并通过输出特性曲线进一步确定了Bi掺入ZnSe纳米材料中，使得材料表现出p型特性。如图4(a)所示在不同温度下退火对电学信号的影响，插图为器件的扫描电子显微镜图;图4(b)是场效应器件的输出特性曲线，插图为转移特性曲线。

由金属半导体组成的晶体管(MESFET)在未来的纳米光电器件应用中会起到较大的作用，这种结构区别于传统的器件，在于源漏电流是通过肖特基删来控制，这种结构的器件因其制作简单而被广泛采用。Zhang等人［10］还研究了基于p型ZnSe纳米带高性能的纳米肖特基场效应器件，开关比可达到 103。图5(a)为器件结构示意图;图5(b)为肖特基电流电压特性曲线;图5(c)为输出特性曲线;图5(d)为转移特性曲线。

3.2 纳米传感器

随着纳米器件的小型化，相比于传统传感器所表现出来的微型化，灵敏性以及扩散性等方面的特性尤为明显，因此给纳米传感器的发展带来了新的机遇。目前纳米传感器研究也取得新进展，Leung等人［11］研究的准一维 ZnSe纳米湿度传感器，在相对湿度为11.3%～97.3%范围内成线性响应，而且比一般响应灵敏度要高。图6(a)所示为不同湿度下传感器的电流电压特性曲线，插图为湿度在97.3%时的电流电压曲线;图6(b)是传感器电阻与湿度的关系图。

3.3 纳米光电探测器

图6 传感器电流电压特性曲线、电阻与湿度关系图

由于纳米材料有较大的比表面积以及与德拜长度相当的尺寸等特性，一维纳米结构易受其表面状态的影响，具有较高的灵敏度，因此很多传感器是基于这个原理研制成功。Fang等人［12］通过用三元溶液的辅助技术制备了ZnSe纳米带，并基于此材料研制了高性能的蓝光－紫外光电探测器。这种ZnSe纳米探测器显示出具有较高的光敏感度以及超快的光电转换速度，其相应速度＜0.3 s。图7(a)所示是ZnSe纳米光电探测器的结构示意图;图7(b)为纳米带器件的扫描电子显微镜;图7(c)为在400 nm波长与无光条件下的电流电压特性曲线;图7(d)是光电探测器在不同波段下的光响应。

图7 ZnSe纳米光电探测器

4 结束语

ZnSe作为重要的Ⅱ－Ⅵ族宽禁带半导体之一，它的本征激发波长约为460 nm。正式这些优越的电学和光学性能被广泛的研究，ZnSe纳米材料的合成方法以及形貌多种多样。ZnSe的n型和p型掺杂使得基于纳米材料的器件的电学和光学性能有很大提高。也正因此被广泛应用于各种纳米场效应器件、光电探测器件、以及发光二极管等。

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Synthesis and Applications of One-dimensional ZnSe Nanostructures

WANG Zhi，LI Fangze
(School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

ZnSe as one of the most importantⅡ-Ⅵ semiconductors has wide direct band-gap of 2.7 eV at room temperature，which is also a suitable material of Blue-light detector.One-dimensional ZnSe nanostructures are synthesized and nanodevices based on these nanostructures have been intensively studied in the past decade due to surface-to-volume rations，quantum effect and unique physical and chemical characteristics.Recently，a wide range of nanodevices based on ZnSe nanostructure have been fabricated.In this paper，the synthesis of nanostructure and the applications of nanodevice based on nanostructure are presented.

ZnSe;nanostructure;devices

TN304.1+3

A

1007－7820(2012)08－073－04

2012-02-18

王志(1986—)，男，硕士研究生。研究方向:电子功能材料与器件。李方泽(1986—)，男，硕士研究生。研究方向:电子功能材料与器件。