半导体纳米材料研究进展与应用

半导体纳米材料研究进展与应用

摘要: 介绍了半导体纳米材料的研究进展、制备方法的若干进展和应用前景。

关键词: 半导体纳米材料研究进展应用

1引言

20 世纪是物理学推动高新技术飞速发展的世纪, 人类已从控制与利用大量微观粒子系统的时代进入了控制与利用单个微观粒子的时代。纳米技术是世纪之交发展起来的新技术, 是在0.1～100nm 尺度空间内, 研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新的高技术科学Z。它的目标是人类按照自己的意志直接操纵单个电子、原子等粒子, 制造出具有特定功能的产品.目前, 人们已制造了各种各样的纳米材料, 例如: 纳米金属材料、纳米半导体材料、纳米氧化物材料、纳米陶瓷材料、纳米有机材料等. 其中半导体纳米材料对未来社会信息化的产生有至关重要的影响.

2半导体纳米材料

相对于金属材料而言, 半导体中的电子动能较低, 有较长的德布罗意波长, 因而对空间的限制比较敏感. 电子的德布罗意波长入与其动能 E 的关系为入=h^2/在纸上(其中m*是半导体中电子的有效质量, h 是普朗克常量) 。当空间某一方向的尺度限制与电子的德布罗意波长可比拟时, 电子的运动就会受限, 而被量子化地限制在离散的本征态, 从而失去一个空间自由度或者说减少了一维。因此, 通常在体材料中适用的电子的粒子行为在此材料中不再适用, 这种新型的材料称为半导体低维结构, 也称为半导体纳米材料【1】。

1966 年, Fuou ler 等人[2]首次令人们信服地证实了在Si/S iO 2 界面处存在二维电子气,从此拉开了半导体低维结构研究的序幕. Si-MO SFET[3]可以认为是对载流子实现一个维度方向限制最早的固体结构.在这个系统中, 由于Si 和SiO 2 界面导带的不连续, 形成一个三角势阱, 将电子限制在其中, 使其既不能穿过氧化层, 也不能进入Si 的体内, 电子的运动被限制在二维界面内.

随着微加工技术的发展和分子束外延技术(MBE )、金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)、液相外延(L PE)、气相外延(V PE)等技术的应用, 人们可以制造出更多的二维电子气系统Z 它是由两种具有不同带隙的半导体材料构成, 一般要求这两种材料结构相同, 并且晶格常量接近, 以获得原子级光滑的界面。MBE 和MOCVD 的一个重要特征是可以制备量子尺寸的多层结构, 其控制精度可达单原子层量级〔4〕。这些结构可分为量子阱(QW ) 和超晶格(SL ) 。1970 年, Esak i 和T su 〔5〕在寻找具有负微分电阻的新器件时, 提出了全新的“半导体超晶格”概念Z 如果势垒层厚度足够宽, 使得相邻阱内电子波函数没有相互作用, 即被称为量子阱.反之, 如果相邻阱内电子波函数有较强的相互作用, 即相当于在晶格周期场上叠加一个多层结构的超晶格周期场, 则被称为超晶格。从此, 对半导体量子阱和超晶格等半导体微结构的材料和器件的研究成为近20 多年来半导体物理学中最重要、最活跃的研究领域之一。

1978 年D ingle〔6〕等人对异质结中二维电子气沿平行于界面的输运进行了研究, 发现了电子迁

移率增强现象Z。以后, 德国的K. V.Klitzing〔7〕和崔琦〔8〕等人相继发现了整数量子霍耳效应和分数量子霍耳效应, 使半导体物理的研究取得了重大进展, 他们也因此分别获得了诺贝尔奖。近年来, 除了超晶格、量子阱以外, 对一维量子线和量子点体系的研究也非常引人注意。早在80 年代初, 人们发现镶嵌在硅玻璃中的半导体纳米晶体对于准粒子(电子、空穴、激子等)表现出三维受限性质。量子点的研究之所以会越来越引起人们的重视, 是因为量子点的结构具有十分显著的量子化效应, 它直接影响着量子点的各种物理性质, 如电子结构、输运性质以及光学特性等。半导体纳米材料研究的进展无疑会为单电子物理学和低维材料学的研究开辟新的发展方向, 同时也将对新一代量子功能器件的设计与制造产生革命性的影响。

3.半导体纳米粒子的的性质、应用和制备

纳米粒子, 般指粒度在以下的粉末或颗粒, 是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。由于量子尺寸效应和表面效应, 它具备了体相材料所不具备的许多奇异的光学、热学、磁学性能和化学活性[9-13], 因而近年来对一半导体纳米粒子的研究较多, 制备方法相对也较多。主要有以下一些方法。

3.1沉淀法

沉淀法主要包括共沉淀法、均匀沉淀法、尺寸选择沉淀法等。共沉淀法是在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂, 使金属离子完全沉淀的方法。该法主要用于制备掺杂的一半分体纳米晶。吉林大学杨桦[14]等人, ,利用共沉淀法制备出了众方结构的纳米晶粉末。均匀沉淀法, 又称均相沉淀法, 是在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质, 使溶液中的沉淀均匀出现。中南大学杨富国等人[15]利用一定比例的硫代乙酞胺配制成溶液, 采用均匀沉淀技术, 得到了无团聚、粒径分布在之间的白色球形纳米微粒。尺寸选择沉淀法是根据粒径的差异, 进行分级沉淀, 从而得到某特定尺寸的纳米粒子。等人, 利用尺一寸选择沉淀法, 以疏基乙酸为稳定剂, 合成出了尺寸分布很窄的纳米晶, 粒径在之间。

3.2水热法

水热法是将反应物和水在密闭容器中加热到高温高压时,反应物之间发生化学反应而制备无机纳米粉体的种先进而成熟的技术。中国科学技术大学的苏宜等人[16]利用水热法合成出了平均粒径分别为和的纳米、粉末。水热法即在水解条件下加速离了反应和促进水解反应, 所得产物具有较好的结晶形态, 并可通过实验条件调控纳米颗粒的形状,而且工艺流程简单, 易于控制。由此而衍生出来的溶剂热法, 有着更为广泛的应用, 后面将有详细介绍。

3.3模板法

该法是通过合成适宜尺寸和结构的模板作为主体, 利用物理或化学的方法向其中填充各种金属、非金属或半导体材料,从而获得所需特定尺寸和功能的客体纳米结构。这种方法的优点在于对制备条件要求不高, 操作较为简单, 通过调整模板制备过程中的各种参数可制得粒径分布窄, 尺寸可控、易掺杂和反应易控制的超分子纳米材料。中科院物理所于广友等人〔17〕在分子筛内用物理蒸