纳米异质结制备及其压电性能表征综合实验设计

邱 宇, 王清漪, 王晓娜, 赵 宇, 张莹莹

(大连理工大学 物理学院, 辽宁 大连 116024)

电子科学与技术专业的基础知识面宽、应用领域广泛、实践性强,是现代信息技术重要的支柱专业,该专业培养了大批基础深厚、专业面宽,具有自主学习能力和创新思维能力的综合型人才[1-2]。将材料生长、器件制备及应用有机结合,有利于加深学生对专业知识的理解,培养学生创新意识和创新能力[3-4]。

异质结是半导体领域中非常重要的理论课内容,异质结是指由两种不同的半导体单晶材料组成的结构,它具有不同于单一半导体的优良特性。随着纳米技术的发展,半导体材料和纳米技术结合越来越紧密。纳米异质结结合了纳米材料和异质结的优点,在发光器件[5-6]、太阳能电池[7]、传感器[8]、光催化[9-10]、能量存储[11]等许多领域得到广泛研究。如果在实验教学中辅之以相应的实验内容,不仅有助于理解相关专业理论知识,而且能够促进学生对前沿科技的探索研究,培养学生科研能力[12]。为此,我们设计了“纳米异质结的制备及其压电性能表征”的综合研究型实验。该实验项目将科学研究中的新方法、新思路引入实验教学,使得实验教学内容更加充实,激发了学生对创新型研究型实验的浓厚兴趣,提高了学生综合运用半导体物理和材料基础、材料分析技术等专业知识的能力,培养了学生创新思维能力、动手操作能力和解决实际问题的能力。

1 实验内容设计

该综合性实验以构建ZnO-CuO异质结结构为主导,围绕异质结型压电发电机的制备与表征分析开展实验内容。实验项目包括磁控溅射制备籽晶层、水溶液法制备异质结、压电器件制备等工艺,以及压电纳米发电机器件的性能表征。

1.1 异质结的制备

采用两步水溶液法制备ZnO-CuO纳米异质结结构,具体步骤如下:

(1) 衬底处理和籽晶层制备:选用ITO玻璃作为衬底,将切割好的1 cm×1 cm大小的ITO衬底放入烧杯中,用甲苯、丙酮和乙醇分别超声清洗10 min,最后用去离子水冲洗干净,放入烘箱内进行烘干备用。采用磁控溅射的方法,在ITO衬底上生长一层10～20 nm左右厚度的ZnO纳米籽晶层。射频功率为180 W,氩气的压强是3.5 Pa,生长时间为20 min。

(2) ZnO纳米棒的生长:先利用电子天平称取一定量的乙酸锌和六次甲基四胺,配置50 mL的前驱反应溶液(摩尔比为1∶1),溶液浓度为30 mmol/L。将长有ZnO籽晶层的ITO衬底放入反应釜中,并倒入反应溶液,放入95 ℃的烘箱中进行生长,生长时间为3 h。待生长完后,将衬底取出,用去离子水反复冲洗、吹干待用(记为样品A)。

(3) CuO纳米结构的生长:所用的前驱体溶液是5 mmol/L的醋酸铜溶液。所采用的生长方法仍然是步骤(2)所示的低温水溶液法。生长温度为60 ℃,生长时间为2 h。这样就制备出了ZnO-CuO的复合纳米结构(记为样品B)。

1.2 异质结型压电发电机制备与测试

将另外一片ITO衬底作为接触上电极,倒扣在制备好的ZnO-CuO异质结上方,并采用银浆把两段导线从导电电极和衬底上分别引出,最后用环氧树脂对器件进行封装。整个器件的工作面积约为1 cm2。如图1所示,整个纳米异质结型器件由上导电电极(ITO),ZnO-CuO异质结和ITO衬底组成。将两根导线连接在4200-SCS半导体综合测试仪上进行测试。

图1 纳米异质结型压电发电器件结构示意图

2 实验结果与讨论

2.1 ZnO-CuO纳米异质结的形貌与结构表征

为了让学生直观了解异质结形貌与晶体结构,采用扫描电子显微镜和X射线衍射对制备的2个样品进行表征。图2(a)是样品A的SEM图像,在图中可以观察到生长出的ZnO纳米棒垂直于衬底,形成非常致密的阵列状,直径大约是100 nm。纳米棒顶端典型的六边形顶面,说明ZnO纳米棒沿着C轴取向生长。从图2(b)样品B的SEM图像可以看出，CuO的纳米结构是一种像“花”一样的结构。可以看出CuO在ZnO上生长的十分致密,生长状态良好。

图2 样品A和样品B的SEM图形

图3为在ITO衬底上制备ZnO-CuO异质结的XRD衍射谱,从图中我们可以看到几个明显的衍射峰,(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、和(103)分别与标准卡片中ZnO六方纤锌矿结构的特征峰基本相符,相对于其他几个峰来说,并且ZnO的衍射峰(002)比较强,说明ZnO纳米棒沿着C轴方向生长状态良好,ZnO是择优生长的。在衍射谱中也观察到在2θ=37.7°处有一个和CuO的特征峰中的(111)峰相对应的衍射峰,证明了CuO纳米结构在样品B中的存在。另外,在XRD中并没有探测到像Cu(OH)2和Cu2O等其他物质的衍射峰,说明生长的CuO纳米结构生长状态较好,纯度较高。这与前面SEM的结果相一致,也为后续制备高性能压电纳米发电机奠定了材料基础。

2.2 纳米异质结电学特性测量与分析

I-V特性曲线是衡量发电器件电学性质优劣极为关键的性能。本文采用4200-SCS半导体特性分析系统对制备的纳米异质结器件的I-V特性进行测量。图4为ZnO-CuO纳米异质结型器件的I-V特性曲线测量结果。该器件展现了非常好的PN整流特性,器件开启电压约为2 V。

图3 ITO衬底上ZnO-CuO异质结结构的XRD衍射谱

图4 ZnO-CuO异质结型压电器件I-V特性曲线和输出性能

2.3 压电特性测量与分析

采用垂直向下对被测器件施加机械压力(约9.8 N),使器件发生压电效应、产生的压电信号。当该器件受到垂直方向压力时,器件具有很高的灵敏度,输出电流强度约300 nA,远远超过之前制备的纯ZnO的压电发电机的性能。

2.4 拓展实验研究内容

根据所做综合设计型实验项目,指导教师可以启发学生进行实验拓展训练,例如可以让学生思考除了CuO外,还有哪些P型材料可以与ZnO构建PN结构；构建的不同掺杂浓度的P型材料与ZnO材料形成PN结时,如何调控结区的载流子浓度和耗尽区宽度,进而影响纳米发电机性能的；引导学生利用半导体理论和能带理论揭示异质结在压电过程中起了什么样的作用；与纯ZnO基压电器件相比,异质结结构的压电发电器件性能有什么优越等。根据提出的问题,教师引导学生进行深入思考,并结合理论知识给学生作以解答,加深学生对异质结结构、压电发电机工作机制的认识。引导学生改进工艺和器件结构,从而提高器件性能,这无疑调动了学生积极性,培养学生总结分析能力和创新思维能力。

3 结论

研究结果表明,制备的ZnO-CuO的PN异质结结构具有非常好的整流特性,当对器件施加外力时,器件产生直流电流输出且有很高的灵敏度,可以极大提高纳米发电机的输出性能,最大输出电流约为300 nA。在实验实施过程中,学生自行设计实验方案,并亲自动手操作实验内容,这大大激发学生对于专业知识的研究兴趣,培养了学生的创新思维能力和综合实践能力。