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一维有序纳米阵列氧化锌及其薄膜的p型掺杂与应用研究
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2016
  • 中图分类:
    TN304.21
  • 关键词:
  • 成果简介:
    ZnO具有带隙宽和激子束缚能高的特点,是发展紫外光电子器件的理想材料,在信息、能源、军事等领域有重要应用前景。然而,要实现ZnO基光电子器件,必须制备出高质量的n型和p型ZnO材料,以及对ZnO纳米结构进行有效调控等。 P型ZnO很难被获得,主要是由于深的受主能级、自补偿等原因所导致。理论上,p型ZnO可以通过掺杂组Ⅰ和组Ⅴ元素实现,且组Ⅰ元素Li在ZnO薄膜中形成Li替代Zn受主时,具有最浅的受主能级。但是试验结果表明,Li掺杂的ZnO薄膜的电学表现为高阻或者n型电导,这是由于Li的原子半径太小,大部分掺杂的Li处于ZnO的间隙位置而不是在Zn格位上,变成间隙Li,而间隙Li是一种施主,产生电子,补偿了Li受主产生的空穴。组Ⅴ元素中N替代O最适合p型ZnO的掺杂,但是N进入ZnO中O格位的形成能高,使得N很难掺杂。课题组通过计算分析发现,可以利用Li和N之间较强的作用力,采用Li和N共掺杂技术路线,实现抑制间隙Li的产生,同时能降低N替代O格位的形成能,实现Li、N共掺杂的p型ZnO薄膜。实验证实了该技术路线有效可行,实现了p型ZnO的制备。 透明玻璃衬底上无催化ZnO一维有序纳米阵列结构材料,具有优异的光电性能,例如,禁带宽度大于3.36 eV、高热稳定性等,有望广泛用于光伏等光电子产业,但是,有序阵列结构的一维ZnO纳米材料主要在硅衬底上合成,且需要催化剂辅助,按照气-液-固(VLS)方式生长,没有在透明玻璃衬底上无催化辅助生长的报道。课题组借助于籽晶层技术,选择合适的生长工艺,在透明玻璃衬底上实现了ZnO一维有序纳米线阵列的制备,使得ZnO纳米阵列按照气-固(VS)的模式生长,突破了以往的实验进展和生长理论。 研究的主要创新点有: 首次利用Li和N双受主的方法制备出高质量的、稳定的、可重复的p型ZnO薄膜材料,其空穴浓度为3.0764×1016cm<'-3>,迁移率为1.7438cm<'2>V-1s-1,揭示了受主形成机理为LiZn-N2O2团簇和空穴载流子的输运机制;首次利用N掺杂制备出p型ZnMgO薄膜。 首次利用低成本的气相输运方法,结合利用籽晶层技术,成功地实现了在透明石英玻璃衬底有序阵列的ZnO一维纳米线结构的制备,并能对ZnO纳米线密度进行有效地调控。在实验理论上弄清按照气-固(VS)的模式生长,突破了ZnO有序阵列纳米材料需在催化剂辅助下按照气-液-固(VLS)方式生长的理论模式。 成功制备出纳米Al-ZnO/CdSe/Cu2O叠层太阳能电池器件,实现了在标准测试条件下(AM1.5标准阳光光谱,总辐照度为1000w/m<'2>,温度为25℃),光电转化效率达到3.16%,解释了叠层太阳能电池的能带结构理论,推动了此类太阳能电池的快速发展。 该项目的开展属于国际首创,其成果申请国家发明专利3项,其中1项授权,发表SCI检索收录论文32篇,8篇代表性论文SCI他引171次,单篇最高SCI他引40次;20篇主要论文的SCI他引263次。
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