CVD法制备单根磷掺杂P型ZnO纳米线(2)

2.3、PL谱表征

　　图4样品1为本征的且经过退火处理的ZnO NWS；2 为本征的但经过退火处理的ZnO NWS；3 为经过P 掺杂的但未退火处理的ZnO NWS；4为P掺杂的且经过退火处理的ZnO NWS；退火条件为800°C 下，80sccm 氩气氛围下退火五分钟图4 为ZnO 纳米线光致发光图，中心为3.17 eV 的峰为其本征峰，3.04eV 的峰是由于价带能级分裂产生的的伴峰，为蓝紫光发光段，中心为2.33 eV 的峰为缺陷峰，为绿光发光段。图中本征峰的位置并未发生明显变化，这说明杂质含量过少不足以使本征峰位置发生变化。

　　中心为2.33eV 的峰为绿光区域，是由缺陷能级形成的，如氧空位、锌间隙、杂质，比较样品1 和样品2,发现杂质峰强度变小，说明退火后本征缺陷（氧空位和锌填隙）数量变少，比较样品3 和样品4 发现杂质峰强度变大，是因为退火时本征缺陷虽然减小，但磷杂质扩散入晶格，使杂质峰强度增大，从而使杂质峰的强度变大。分别比较样品2 和样品3，样品1 和样品4，也能发现磷掺杂后，缺陷峰强度变大。

2.4、XRD 表征

图5 磷掺杂ZnO 纳米线和本征ZnO 纳米线的XRD 图

　　如图3.11为本征ZnO纳米线与P掺杂ZnO纳米线的XRD图。其中，除在38°和45°左右的峰为金的特征峰外，其余峰位全符合ZnO的特征峰。比较两个样品的XRD图后，发现峰位没有偏移，也没有出现新的杂质相，说明磷杂质的引入没有破坏ZnO原来的晶体结构。

2.5、场效应管（FET）表征

　　这四种表征手段表明ZnO 纳米线中已成功的掺入了磷杂质，且原有晶格结构没有被破坏。但由于纳米线中氧空位，锌间隙等本征缺陷的强烈自补偿作用，所得纳米线是p 型还是n 型还有待进一步确定。为此，组装了单根ZnO 纳米线的场效应管，并对其进行了测试。

　　场效应管的结构如图6所示。

　　单根磷掺杂ZnO 纳米线FET 的输出特性曲线和转移特性曲线如图7所示。从中可以看到，栅极电压Vg 一定时，源漏极间电压Vds 增大，则源漏极间电流Ids 增大；Vds 一定时，Vgs 为正，载流子耗尽，Ids 变小，且正电压越大，Ids 越小，反之，也成立，从而说明所得磷掺杂ZnO 纳米线为p 型。

　　半导体材料的载流子浓度和迁移率可以通过下面两式进行计算[8]：

　　式中，Vgt :栅极开启电压；ε/ε0: 介电常数/真空介电常数；h: SiO2 氧化层厚度；r : 纳米线半径

　　本试验中，h=500 nm； r=147 nm； Vgt=212.9V； ε=3.9，由此可得此磷掺杂ZnO 纳米线的载流子浓度为 1.51×109 cm-1，Vds 为8V 时的载流子迁移率为0.803 cm2/(Vs)。

3、结论

　　通过CVD 方法制备得到了磷掺杂的 ZnO 纳米线，用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、光致发光谱（PL）、拉曼（Raman）等多种表征手段对制备得到的样品进行了表征。SEM 照片表明制得的ZnO 纳米线直径约为200-300 nm，长度约为10μm。分析掺杂前后样品的Raman 谱图发现其峰位在掺杂后发生蓝移，且其E2(high)的峰的半高宽变宽；样品退火后，E2(high)峰位发生红移，同时在576 cm-1 处出现杂质峰，表明磷元素掺杂进入了ZnO 纳米线，且退火前磷原子多以填隙的方式存在于ZnO 中，退火过程中，磷扩散进入ZnO 晶格中，与氧原子发生替位，使部分压应力得到了释放。PL 光谱研究结果显示磷掺杂的ZnO 纳米线在退火后其杂质峰强度变大，表明ZnO 纳米线中掺入了磷杂质。

　　分析样品的XRD图，可见本征ZnO 纳米线与磷掺杂ZnO 纳米线的峰位没有明显变化，表明磷杂质并未与ZnO 发生反应形成新的相，没有破坏ZnO 的晶格结构，而仅仅是与部分原子发生替位。

　　以单根磷掺杂的ZnO 纳米线为基础，制备得到了场效应管（FET）,并对其电学性质进行了研究，测试得到了其输出特性曲线和转移特性曲线。栅极电压为负，场效应管的源漏极间电流变大，说明磷掺杂后的ZnO 纳米线为空穴导电，为p 型半导体，但是p 型ZnO纳米线的迁移率很低，如何提高ZnO 纳米线的载流子迁移率仍需进一步的研究探索。