In掺杂ZnO纳米带电学性质的研究*

潘思明，高 红 ，郎 颖 ，李 凯 ，唐欣月，顾海佳

(哈尔滨师范大学)

0 引言

随着微电子技术的快速发展，纳米材料成为纳米科技领域最富研究内涵的科学分支.一维ZnO纳米材料由于其高比表面积［1］、高激子束缚能(60 meV)和宽禁带宽度(3.37 eV)等引起大家的广泛关注［2］.掺杂可以改变ZnO纳米材料的生长习性，改变其晶体形貌，同时改善其光电性能［3］，因此一维掺杂ZnO纳米材料已经成为人们研究的重点.目前，研究人员已经成功将B、Al、Ga、N 等元素掺杂到 ZnO 纳米材料中［2，4-5］.掺杂后的 ZnO纳米材料在力、热、光、电等方面［6-7］都表现了更好的性能，可广泛应用于紫外探测器、传感器、压电转换器、场效应晶体管等.

In是一种有效的n型掺杂元素，In掺杂的ZnO纳米材料表现出非常好的导电性能和光传输性能，In的原子半径与Zn的原子半径十分接近，所以In掺杂不易引起晶格突变.目前，关于In掺杂ZnO纳米材料合成的研究报道很多［8-11］，但是关于In掺杂ZnO纳米材料电学性能的研究较少.基于以上分析，笔者选取In掺杂ZnO纳米带为研究对象.以ZnO和In2O3为前驱物，采用化学气相沉积方法(CVD)合成了In掺杂ZnO纳米带，并对其形貌成分进行表征，同时利用微栅模板法［12-13］制备了In掺杂ZnO纳米带光电器件，研究其伏安特性曲线及紫外光敏特性.

1 实验

In掺杂ZnO纳米带是采用CVD方法在高温管式炉中合成的.取 ZnO粉1.0 g和 In2O3粉0.2 g的混合物作为前驱物，放在刚玉舟上，置于高温炉的中心位置，使源处于最高温度处，在源下游依次摆放镀有2 nm厚Au的Si(100)片作为材料的衬底.反应过程中，高温炉内压强始终保持为1000 Pa，N2作为载气，流量为300 sccm.反应室以5-8℃/min的速度升温到1450℃，保持在这个温度20 min，然后冷却到室温.待取出衬底后，在Si片上沉积了淡黄色的絮状物体.利用扫描电子显微镜(SEM，Hitachi，S-4800，Japan)，X 射线能谱仪(EDX，Hitachi，S-4800，Japan)，X射线衍射仪(XRD，Rigaku，D/maxrb，Japan)对合成样品的形貌和结构进行表征.

采用微栅模板法制备微电极.利用静电吸附原理提取单根In掺杂ZnO纳米带置于覆有300 nm厚 SiO2绝缘层的 Si片上，将大小为200 μm ×200 μm、金属框宽度为 15 μm 的掩膜板放在提取完样品的Si片上，并使其与Si片紧密接触.利用WDY-V型电子衍射仪溅射Ti/Au微电极.微电极制备成功后对器件进行退火处理，最后利用银胶将银丝引出作为电极，制得光电器件.利用半导体参数测试仪(Agilent B1500A)在室温大气环境下对器件进行伏安特性测试和光响应曲线测试.

2 结果与讨论

图1为In掺杂ZnO纳米带的SEM图象，可以看出In掺杂ZnO纳米带样品具有均匀的带状形貌，产量也很高，布满整个Si衬底.合成的纳米带长度约为几十微米，宽度约为几百纳米.大多数纳米带都具有较大的长宽比.

图1 In掺杂ZnO纳米带的SEM图象

为了确定In掺杂是否成功，对样品进行了能谱测试.图2为In掺杂ZnO纳米带的EDX图象，可以看出纳米带中有In，Zn，O三种元素.

图2 In掺杂ZnO纳米带的EDX图象

图3为In掺杂ZnO纳米带的XRD图象，标定后的结果如图3所示，根据X射线衍射峰特征峰谱，这些衍射峰都与纤锌矿结构ZnO的衍射峰峰位相符，且无其他杂峰.这表明样品中并无其他结构产生，样品为In掺杂ZnO纳米带结构.

图3 In掺杂ZnO纳米带的XRD图象

为了比较ZnO纳米带和In掺杂ZnO纳米带的导电能力，在室温、暗环境下，分别测试ZnO纳米带和In掺杂ZnO纳米带的伏安特性曲线.可以看出随着电压的升高，电流均是成线性增加的，这表明组成器件的ZnO纳米带和In掺杂ZnO纳米带与电极之间形成了欧姆接触.如图4所示，黑色虚线为纯ZnO纳米带的伏安特性曲线，红色实线为In掺杂ZnO纳米带的伏安特性曲线.对比可知，In掺杂ZnO纳米带的电阻远远小于纯ZnO纳米带的电阻.计算得出，In掺杂ZnO纳米带的电阻约为0.15 MΩ，ZnO纳米带的电阻约为7.5 MΩ，为 In掺杂 ZnO纳米带的50倍.这是由于轻掺杂时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生施主杂质能级，施主能级上的电子跃迁到导带所需能力比从价带跃迁到导带小得多.同时，In原子的轻掺杂可以提高载流子浓度，跃迁到导带的电子多于纯ZnO纳米带，从而使得In掺杂ZnO纳米带的导电能力远高于纯ZnO纳米带［14-15］.图4的插图为跨 Ti/Au电极的纳米带的SEM图象.

图4 室温暗环境下ZnO纳米带和In掺杂ZnO纳米带的伏安特性曲线;插图为跨Ti/Au电极的纳米带的SEM图象

图5(a)和图5(b)分别为In掺杂ZnO纳米带和ZnO纳米带器件在暗环境和紫外光照下的I-V特性曲线，图5(a)的插图为源漏电压为1.5 V时In掺杂ZnO纳米带器件的光响应曲线.由图5(a)可知，In掺杂ZnO纳米带对紫外光具有一定的敏感性，但开关比(1.3)数值不是很高.由图5(b)可知，ZnO纳米带暴露在紫外光源下，电流有明显变化，器件对紫外光的开关比为25.5，约为In掺杂ZnO纳米带的20倍.可以看出纯ZnO纳米带对紫外光的敏感性远高于In掺杂ZnO纳米带.

图5

3 结论

利用CVD方法合成了样品，通过SEM图、EDX图、XRD图可以看出样品为形貌均匀、长宽比大的In掺杂ZnO纳米带.利用微栅模板法制备欧姆接触的光电器件.由伏安特性曲线可知，In掺杂可以大大提高ZnO纳米带的导电能力，In掺杂ZnO纳米带的电阻仅为纯ZnO纳米带的1/50.由光响应特性曲线可知，ZnO纳米带器件的开关比为In掺杂ZnO纳米带的20倍.可以得出，In掺杂ZnO纳米带由于其高导电性可被用于制作纳米电极，但是如果想制备光电传感器，利用纯ZnO纳米带更合适.

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