氧化锌掺杂的研究进展_邓允棣

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科学与研究
氧化锌掺杂的研究进展
□ 邓允棣
( 武汉理工大学理学院 湖北·武汉 430070)
摘 要 氧化锌是一种 新 型 的 、性 质 优 良 的 半 导 体 材 料 , 在 光 、电 、磁 等 方 面 都 有 着 非 常 重 要 的 作 用 , 而 对 氧 化
锌进行掺杂其他元素的研究越来越受人关注。本文对不同的掺杂物所进行的研究进展进行了阐述。
[ J ] . 青海社会科学, 2004 年第六期.
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科协论坛·2007 年第 7 期(下)
科学与研究
点, 当然还有一些研究是关于它的荧光特性的。关于制作低 阻抗的 Ga- ZnO 薄膜, 在 94 年 Shigemi Kohiki 等人就用射频 磁控溅射法得到了电导率为 3.7×103/ cm 的薄膜, 并且 得 出 结 论 掺 杂 Ga 比 掺 杂 Al、B 得 到 的 薄 膜 电 导 率 要 高 。 G. A. Hirata 也对此做了研究, 他用激光脉冲沉 积 法 得 到 了 阻 抗 为 3.6×10-4cm 的 薄 膜 。Hirasawa 则 得 到 了 最 低 阻 抗 为 1.6×10-4 cm 的样品。 2.3 In 掺杂
Shvalagin 等人用 ZnO 光催化还原 AgNO3 溶液方法制备 了 Ag- ZnO, 研 究 了 其 光 学 性 质 及 其 电 子 物 理 性 质 和 光 化 学 性质, 实验研究了在可见光条件下对甲基蓝的催化作用。 4.2 Sn 掺杂
在 SnO2/ZnO 方 面 由 于 效 果 明 显 其 研 究 报 道 比 较 多 , 如 Dodd 用机械化学的方法合成了 SnO2- ZnO 粉末, 其反应是将 0.1 SnCl2 + 0.9ZnCl2 + Na2CO3 + 4NaCl 混合在 NaCl 基体里, 进行高能碾磨与热处理, 反应产物用去离子水洗净可以得到 ZnSn (OH)6, 再经过 400 至 700 摄氏度的煅烧, 就可以得到 SnO2- ZnO 粉末, 然Leabharlann Baidu测试其光催化性能; Lou XD 等人用水 热的方法得到了 Zn2SnO4 纳米材 料 , 他 是 用 水 热 合 成 的 方 法 在 200 摄 氏 度 下 经 过 24 小 时 得 到 了 尖 晶 石 结 构 的 Zn2SnO4 样品, 对样品进行了分析 , 计 算 出 了 平 均 表 面 积 为 62m2/g,平 均粒径为 20nm。在其光催化性质方面也做了研究, 对典型的 水溶液染料污染物, 在紫外灯下照射 2h, 其降 解 率 基 本 达 到 100%。
在纯氧化锌研究了一段时间已经趋于成熟后, 将其进行 掺杂成为现在研究氧化锌这个材料的新课题, 也逐步成为了 今 后 的 趋 势 。现 在 对 氧 化 锌 掺 杂 后 表 现 出 的 性 质 的 机 理 还 不 是很清楚, 但是人们提出了很多的解释, 期待可以得到真正 的 答 案 。本 文 将 回 顾 一 下 纳 米 氧 化 锌 对 应 不 同 的 掺 杂 物 所 研 究的现状, 希望对以后的研究工作有所帮助。 2 氧化锌 n 型掺杂
分析[ J ] . 国土资源情报, 2006 年第一期. [ 4] 秦德安. 日本房地产泡沫时代的税制改革及对我国的
启示[ J ] . 中国房地产金融, 2006 年第十一期. [ 5] 赵龙节, 张辉, 张吉法. 日本房地产业与国民经济周期
波动对我国的启示[ J ] . 经济科学, 2007 年第一期. [ 6] 吴继侠. 日本房地产周期的成因及其对我国的启示
雾热解技术将 N- In 共掺杂, 制备出了优异性能的 p 型薄膜, 室温下电阻率为 5.04×10-3/cm, 霍尔迁移率 33.5 cm2/Vs, 载流 子浓度 3.69×1019cm-3。 4 氧化锌光催化性掺杂
在光催化性质方面, 对氧化锌进行掺杂的物质一般有 Ag、Sn 等等。而这两者的掺杂原理与方法是不一样的, 掺杂 像 Ag 这类 IB 族元素是将其包裹在表面, 形成一个 schottky 势垒, 使半导体能带向上弯曲, 从而有效控制电子- 空穴对的 再复合, 达到增加光催化效应的目的。掺杂 Sn 主要是做成 SnO2/ZnO 复合 材 料 , 利 用 二 者 的 能 带 不 一 致 来 有 效 抑 制 电 子- 空穴复合。 4.1 Ag 掺杂
Ga 掺杂是典型的 n 型掺杂, 掺杂的效果不错, 有很多研 究人员在此做了大量的工作, 由于 Ga 掺杂 ZnO 是低阻抗 n 型半导体, 所以降低阻抗和增加薄膜的透光度是要研究的重
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( 上接第 88 页) 下, 如果金融部门过度解除金融管制, 很容 易 造 成 大 量 信 贷 资 金 流 入 非 生 产 性 部 门 而 引 发 泡 沫 。中 央 银 行在 《2002 年第三季度货币政策执行报告》中首次就防止房 地产泡沫向市场发出警告, 在肯定了房地产业对国民经济贡 献的同时, 也提醒要特别关注金融机构贷款的集中度问题, 防止信贷过度集中于房地产业, 以免金融风险过度集中。 3.4 加强对地价的监管,制定有效的土地政策
关键词 氧化锌 掺杂 光催化
中图分类号: TU73
文献标识码: A
文章编号: 1007- 3973( 2007) 07- 50- 02
1 引言 纳米氧化锌是一种具有特异性能, 用途广泛的多功能超
细材料, 是世界各国投以巨资研究的新型材料, 我国也把其 列入到“863 计划”攻关的重大课题, 而其掺杂后 的 性 质 又 是 近年来研究的热点, 发展这类新型纳米材料, 可以应用到各 个领域中去, 比如压电传感器、气敏元件、光催化剂等等。
直到人们通过施主- 受主共掺杂技术才得到了较为满意 的 结 果 , Josph 与 Tabata 等 人 通 过 Ga- N 共 掺 杂 技 术 得 到 了 最好电阻率为 6×10-3cm, 受 主 浓 度 为 1×1021cm-3 的 p 型 氧 化锌。实验表明当受主( N) 和施主( Ga) 之比接 近 2: 1 时 , 可 以得 到 比 较 好 的 低 阻 抗 p 型 半 导 体 。Bian 等 人 用 超 声 波 喷
在 实 验 方 面 , 1997 年 Minegishi 通 过 化 学 气 相 外 延 法 将 N 掺杂到 ZnO 中得到了 p 型的氧化锌, 这是人们首次获得 p 型的氧化锌, 但是得到的样品载流子浓度很低, 电阻率也高 达 100 cm。 后 来 Katama 利 用 NH3 作 为 掺 杂 源 得 到 了 p 型 氧化锌, 其原理是利用 H 的钝化作用, 结果也不是很理想。 在 2000 年 , Aoki 用 P 作 为 掺 杂 物 利 用 准 分 子 激 光 掺 杂 到 ZnO 薄膜中, 得到了 p 型的 ZnO 薄膜。Kim 等人则利用 P2O5 将 其 溅 射 到 ZnO 基 底 上 , 在 氮 气 环 境 下 快 速 退 火 , 得 到 了 p 型 的 P- ZnO, 空 穴 浓 度 1.0 ×1017 - 1.7 ×1019cm-3, 迁 移 率 0.53- 3.51 cm2/Vs。Ryu 等人将 As 掺杂到氧化锌中, 得到了 p 型 ZnO,他 们 是 利 用 脉 冲 激 光 融 蚀 技 术 , 将 ( 001) 面 的 GaAs 基底中的 As 原子扩散到 ZnO 层, 实现 p 型转 变 。 空 穴 浓 度 1018- 1021cm-3, 迁移率 1- 50 cm2/Vs。 3.2 共掺杂
从电学上来讲, 氧化锌制备过程中容易产生氧空位。如 果要使氧化锌的 n 型导电性更好的话, 一般的掺杂物有 B、 Al、Ga、In 等ⅢA 族元素。由此可以得到较好的 n 型半导体。 2.1 Al 掺杂
从 1994 年开始, 用溶胶 凝 胶 法 制 得 Al 掺 杂 ZnO( AZO)
低 阻 抗 的 薄 膜 的 报 道 就 屡 见 不 鲜 了 , 据 报 道 W.Tang 与 Cameron 在 1994 年 就 得 到 了 阻 抗 为 7×10-4 的 氧 化 锌 薄 膜 。 这是报道中得到阻抗最低的 Al 掺杂氧化锌薄膜。Ohyama 认 为只要有好的晶体取向, 其阻抗就会降低, 并且这是影响其 阻抗的关键因素。所以他在 96 至 98 年不断发表文章阐述自 己 的 想 法 , 并 且 得 到 了 最 佳 阻 抗 为 6.5×10-3Ωcm 的 AZO 薄 膜。
Kwang Joo Kim 同 Young Ran Park 用 射 频 磁 控 溅 射 的 方法将 In2O3 掺杂到 ZnO 中。得到的载流子浓度为 1019 到 1020 之间, 通过控制载流子浓 度 , 当 浓 度 从 1.1×1019cm-3 增 大到 5×1019cm-3 时, 其带隙是蓝移的, 而 当 浓 度 继 续 加 大 至 1.2×1020cm-3, 其带隙又出现了红移。对于这个现象作者给出 的 解 释 是 , 一 开 始 增 大 浓 度 时 , 由 于 Burstein–Moss 带 隙 填 充理论效应, 从而产生了蓝移, 接着由于供体与导带的结合, 继而出现了红移。
量。
参考文献: [ 1] 邵谦谦, 王洪. 日本房地产泡沫的成因分析及对我国的
经验借鉴[ J ] . 中国房地产金融, 2003 年第五期. [ 2] 赵辰. 日本房地产泡沫的生成机理及对我国的经验借
鉴[ J ] . 体制改革, 2006 年第四期. [ 3] 刘丽. 日本房地产泡沫破裂前后的土地财税政策对比
Height 等人利用火焰喷雾热解法 ( FSP) 合成出了 Ag- ZnO, 与自己用湿化学方法制备的 Ag- ZnO 比较其光催化降 解效果。FSP 合成出来的颗粒大小为 10 ̄30nm。湿化学合成 出来的颗粒大小为 80 ̄120nm。实验证明当溶液流速与气体 流 速 为 8:3, 掺 杂 浓 度 为 1%、3%条 件 下 的 样 品 降 解 效 果 最 好。
当前我国地价的市场化程度不高,地价的转让存在很多 内幕交易,影响了整个地产市场的地价秩序。各地可以建立 该区域的基准地价及其公示制度,作为合理地价的参考。
加强对房地产用地的审查,优化用地结构。地方各级国 土资源部门要依据当地房地产市场的供需状况,合理确定所 报 城 市 建 设 用 地 中 的 各 类 房 地 产 用 地 量 和 比 例 。土 地 供 应 是 调控房地产市场的基本手段,各地要充分发挥土地供应对房 地产市场的调控作用,促进房地产市场持续健康发展, 必须 严格实行土地供应的集中统一管理, 严格控制土地供应总
在 P 型掺杂方面因为应用前景很好, 所以对此研究的报 道 很 多 , 主 要 是 掺 杂 I 族 元 素 ( Li、Na、K、Ag、Cu、Au) 或 V 族 元 素 ( N、P、As、Sb、Bi) , p 型 掺 杂 很 难 实 现 , 这 个 方 面 有 很 多 猜 测 , Yamamoto 与 Katayama- Yoshida 计 算 出 了 氧 化 锡 n 型 掺杂会导致马德隆能降低, 而当 p 型掺杂时其马德隆能会升 高 , 所 以 其 p 型 掺 杂 是 有 难 度 的 , 他 们 将 Li 与 Cu 进 行 掺 杂 可以获得 p 型的结构, 但是其电导性质并不理想。Park 等人 则认为 p 型掺杂的困难在于当 I 族元素替换了 Zn 位后会产 生空隙。Oba 等人认为在 p 型的情况下形成施主类型缺陷的 能量非常低, 由此导致自补偿作用, 对 p 型掺杂很不利。但是 这个理论并不能解释所有的掺杂情况, 比如说 n 型掺杂。 3.1 N 、P、As 、Ag 掺杂
B.L.ZHU 等 人 用 HILH( 激 光- 感 应 复 合 加 热 ) 方 法 得 到 了 In 掺杂的纳米氧化锌。这个方法得到未掺杂的氧化锌是 白色的棒状或者针状的, 而掺杂以后的为绿色的小片状和棒 状。当 In 掺杂量为 4.58%时得到的材料阻抗最小, 同时气敏 特性最好。 3 氧化锌 p 型掺杂
另一种非常常见的方法是磁控溅 射 法 。Szyszka 利 用 磁 控溅射技术得到了电学性质很好的薄膜, 他 们 用 频 率 为 40 的交流电在 Al 质量浓度为 1.2%, 温度为 573K 条件下得到 了最佳阻抗为 4×10-4Ωcm 的 AZO 薄膜。后来他又改进了工 艺, 在 473K 条件下, 加快溅射速率至 8.8nm/s, 加大了通入氧 气 的 量 至 163sccm, 结 果 得 到 了 阻 抗 为 3×10-4Ωcm 的 AZO 薄膜。 2.2 Ga 掺杂
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