ZnO半导体材料及器件
ZnO半导体材料及器件
ZnO半导体材料及器件【摘要】在过去的十多年时间里里,ZnO作为半导体具有独特的性质而倍受瞩目和广泛研究。
例如,ZnO具有较高的电子迁移率,是直接带隙半导体,具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。
在光电器件的应用上,ZnO已经被认为是一种很有潜力的材料,而制造高质量的p型ZnO是实现其应用的关键。
由本征缺陷或者氢杂质引起的较强的自补偿效应使得通过掺杂来制得p型ZnO半导体非常困难。
尽管如此,通过研究者们的努力,在制备高质量的p型ZnO半导体和基于ZnO的器件上已经取得了很大的进步。
【关键词】p型ZnO;ZnO器件1997年D. M. Bagnall等人在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射[1]。
美国Science杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对该结果作了报道.由此,掀起了对ZnO的研究热潮。
D. M. Bagnal等利用等离子体增强分子束外延在蓝宝石的(0001)衬底上生长的ZnO 薄膜,在室温下、阈值激励强度为240kW cm-2的条件下发出了激光(见下图)。
一、ZnO的性质(1)ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料,其晶体结构与GaN一致,晶格常数与GaN的非常接近,在电子和光电子器件应用方面具有很多吸引人的特征与优点。
(2)ZnO的直接带隙很宽(Eg~3.37 eV 在300 K下),与GaN的相当(Eg~3.4 eV 在300 K下)。
而GaN已经广泛应用于制作绿光、蓝光以及白光发光器件。
(3)室温下ZnO的激子束缚能高达60meV,是GaN(约24meV)的2倍,也比室温热离化能(25meV)高许多,激子复合可以在室温下稳定存在,也可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发射,且激射阂值比较低。
如此高的激子束缚能能够提高发光效率。
(3)通过掺杂Cd或者Mg,ZnO的禁带宽度(Eg~3.37 eV)可以有效地在3~4.5eV之间调整.(4)ZnO薄膜可以大面积、均匀地生长在多种衬底上,这样就具有更加广泛的应用范围,而GaN薄膜只能生长在一些如SiC、蓝宝石、Si等特定的衬底上。
ZnO及其纳米结构的性质与应用
ZnO及其纳米结构的性质与应用本文将综述ZnO及其纳米结构的性质与应用等方面的内容。
1.ZnO的形貌与晶体结构按形貌来分,有单晶ZnO,薄膜ZnO、纳米结构ZnO,纳米结构又分为纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒(纳米柱)、纳米管、纳米花、纳米片(纳米带)、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉(纳米针)、纳米笼、纳米四足体、塔状纳米结构、盘状纳米结构、星状纳米结构、支状纳米结构、中空纳米微球、纳米阵列等。
按晶体结构来分,ZnO又有六方对称铅锌矿结构、四方岩盐矿结构和闪锌矿结构,其中六方对称铅锌矿结构为稳定相结构。
在不同的环境下制备出的ZnO的结构与形貌都不尽相同,而不同的结构与形貌又表现出不同的性质,有不同的应用。
2.ZnO的性质及应用纳米氧化锌材料具有诸多优良的性质,总的来说,可分为三个方面,一是作为半导体材料所具有的性质,二是作为纳米材料而具有的性质,三是其自身独有的性质。
2.1作为半导体材料的ZnO在半导体产业中,一般将Si、Ge称为第一代半导体材料;将GaAs(砷化镓) 、InP(磷化铟) 、GaP(磷化镓)等称为第二代半导体材料;而将宽禁带( Eg >2. 3eV) 的SiC(碳化硅) 、GaN(氮化镓)和金刚石等称为第三代半导体材料。
[1]通常状态下,ZnO是直接宽带隙n型半导体材料,室温下的禁带宽度是3.3eV,是第三代半导体材料中的典型代表。
因而其具有第三代半导体材料所具有的诸多优良性质,比如发光特性、光电特性、电学性质、压阻特性、铁磁性质等。
2.1.1发光特性在半导体中,处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁,以光辐射的形式释放出能量,这就是半导体的发光现象。
[2]LED产业中比较有代表性的半导体材料是GaN、SiC、ZnO和金刚石,虽然GaN 与SiC的工艺已经比较成熟,但SiC发光效率低,而ZnO在某些方面具有比GaN更优越的性能,如:熔点、激子束缚能和激子增益更高、外延生长温度低、成本低、易刻蚀而使后继工艺加工更方便等。
宽禁带半导体ZnO材料的调研
详细描述
脉冲激光沉积法利用高能脉冲激光照射在锌 靶上,产生高温高压等离子体,其中包含锌 原子和氧原子。这些原子在飞向衬底的过程 中发生化学反应,生成ZnO沉积在衬底上。 通过控制激光能量、脉冲频率、衬底温度等 参数,可以调节ZnO薄膜的生长速度和晶体 质量。
脉冲激光沉积法
总结词
脉冲激光沉积法是一种利用激光诱导化学反 应制备ZnO材料的方法,通过将高能脉冲激 光照射在锌靶上,产生高温高压等离子体, 再与氧气反应生成ZnO沉积在衬底上。
ZnO材料的应用领域
03
ZnO材料的应用领域
电子器件
发光二极管
ZnO具有高导电性和宽禁带特性, 可用作蓝光LED的基底材料,广 泛应用于显示、照明等领域。
太阳能电池
ZnO作为宽禁带半导体材料,具有 较高的光吸收系数和良好的光学稳 定性,在太阳能电池领域具有潜在 的应用价值。
场效应晶体管
ZnO基场效应晶体管因其高迁移率 和良好的稳定性,在集成电路、微 电子器件等领域具有广阔的应用前 景。
宽禁带半导体的定义
宽禁带半导体
指禁带宽度较大的半导体材料,通常禁带宽度大于2.3eV。这类半导体材料具有高热导率、高击穿场 强、高饱和电子速度等优点,在高温、高频率、高功率器件以及光电器件等领域具有广泛的应用前景 。
ZnO材料
是一种宽禁带半导体材料,禁带宽度为3.37eV,在室温下表现出高激子束缚能(60meV)和高热导率等 特点。ZnO材料还具有优异的光学性能和电学性能,使其在紫外光电器件、短波长激光器、气体传感器和 太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
化学气相沉积法利用气态的锌源和氧气发生化学反应,在衬底上生成ZnO晶体。常用的锌源包括锌粉、锌盐等, 衬底材料则根据需要选择,如蓝宝石、硅等。通过控制温度、压力、气体流量等参数,可以调节ZnO薄膜的生长 速度和晶体结构。
量子点zno
量子点zno
量子点是指体积非常小的半导体结构,通常由几个或几百个原子组成。
ZnO(Zinc Oxide)是一种重要的半导体材料,具有广泛的应用领域,包括光电器件、传感器、太阳能电池等。
量子点ZnO是指由ZnO材料构造的量子点结构。
量子点ZnO的独特性质使其在光电子学中具有重要的应用前景,例如可以通过改变量子点尺寸来轻松调节其光电特性,并且其量子限域效应可以显著地改善材料的光电转化效率。
量子点ZnO的制备方法可以包括溶剂热法、择优化学法、水热法等多种方法。
量子点ZnO的研究在新型光电器件和能源器件领域具有重要的应用潜力。
zno发光特点
ZnO发光特点1. 引言ZnO(氧化锌)是一种广泛研究的半导体材料,具有良好的电子传导性和光学性能。
由于其特殊的晶格结构和能带结构,ZnO能够发出可见光和紫外光,具有较高的光致发光性能。
本文将探讨ZnO的发光特点和相关性质。
2. ZnO晶格结构2.1. 六方晶系结构ZnO晶体结构属于六方晶系,具有紧密堆积的排列方式。
它的晶格常数为a=b≠c,晶格中的Zn和O离子通过共价键和离子键相互连接,形成稳定的结构。
3. ZnO能带结构3.1. 能带理论根据能带理论,ZnO晶体具有导带和价带。
导带是一系列能量较高的电子轨道,而价带是一系列能量较低的电子轨道。
能带之间的能隙决定了材料的电子传导和光学性质。
3.2. ZnO的带隙结构ZnO的能带结构非常有趣,具有大约3.37eV的直接带隙。
这意味着当外部能量激发ZnO晶体时,电子可以直接跃迁到导带中,从而产生发光现象。
4. ZnO的发光机制4.1. 缺陷相关发光ZnO晶体中的缺陷可以导致光致发光。
具体来说,氧空位和氧空位相关的缺陷在激发时会产生电荷载流子,从而引发发光现象。
这种发光被称为紫外发光,其波长通常在380-400nm之间。
4.2. 缺陷复合发光除了缺陷相关发光外,ZnO还可以通过掺杂和复合过程发出可见光。
通过控制掺杂材料的种类和浓度,可以实现可见光的发射。
例如,镍离子的掺杂可以产生蓝色发光,铜离子的掺杂可以产生绿色发光。
5. ZnO发光应用5.1. 发光二极管ZnO作为半导体材料,被广泛应用于发光二极管(LED)的制造。
通过合理设计LED 结构和掺杂材料,可以实现高亮度、高效率的发光效果。
ZnO发光二极管具有低成本、高稳定性和可调控性等优点,在照明和显示领域有着广阔的应用前景。
5.2. 激光器ZnO晶体还可以用于激光器的制造。
在控制紫外光激光器的工作条件下,可以获得高纯度的紫外光输出。
这对于生物医学、信息存储和材料加工等领域具有重要意义。
5.3. 光催化由于ZnO具有较高的光致发光性能,它在光催化领域也有着广泛的应用。
氧化锌晶体结构半导体
氧化锌晶体结构半导体氧化锌(ZnO)是一种广泛应用于半导体器件、光电器件以及光催化材料的重要材料。
它具有宽带隙、高透明性、优良的光电性能和热稳定性等特点,因此在光电子学领域有着广泛的应用前景。
了解氧化锌的晶体结构对于理解其性质和改善其应用至关重要。
氧化锌的晶体结构可以归类为两种类型,即闪锌矿结构和六方结构。
闪锌矿晶体结构是氧化锌的最稳定的结构形式,也是最常见的晶体形态。
它属于立方晶系,在晶胞中原子排列有序,具有离子结合和共价结合的特点。
在闪锌矿结构中,氧化锌晶格中的每个氧原子都与六个锌原子相连,而每个锌原子则与四个氧原子相连。
这种结构中,锌原子和氧原子的坐标位置按一定规律排列,可用晶胞参数a表示。
其中,a是单个晶胞的边长,通常在0.5 nm左右。
氧化锌的另一种晶体结构是六方结构,也被称为wurtzite结构。
这种晶体结构比较稳定,相对闪锌矿结构而言,六方结构在一些特定情况下有更好的性能。
六方结构中,氧化锌晶体的晶胞呈现出六边形的形状,因此被称为六方结构。
其中,a和c是单个晶胞的两个边长,通常a比c小。
六方晶体结构中,氧原子和锌原子都存在六重对称性,氧原子位于六边形的顶点位置,锌原子位于六边形的中心位置,形成六边形的各个角上都有一个锌原子。
六方结构中的晶格常数c通常大于a,晶胞参数a约为0.32-0.36 nm,而c约为0.52-0.57 nm。
不同晶体结构的氧化锌具有不同的物理化学性质和应用潜力。
闪锌矿结构通常具有更好的热稳定性和更高的导电性能,适用于半导体器件制备;而六方结构由于其特殊的晶体结构,具有较好的光学性能和光催化性能,适用于光电器件和光催化材料的制备。
总之,氧化锌作为半导体材料,其晶体结构主要为闪锌矿结构和六方结构。
了解不同结构的特性对于氧化锌的应用和研究具有重要意义。
ZnO
氧化锌(ZnO)氧化锌(ZnO),俗称锌白,是锌的一种氧化物。
由ⅡB族元素Zn和Ⅵ族元素O化合而成的半导体材料。
分子式为ZnO。
室温下禁带宽度为3.2eV,属直接跃迁型能带结构。
难溶于水,可溶于酸和强碱。
氧化锌是一种常用的化学添加剂,广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。
氧化锌的能带隙和激子束缚能较大,透明度高,有优异的常温发光性能,在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。
此外,微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。
基本信息中文名称:氧化锌英文名称:Zinc oxide中文别名:C.I.颜料白4; 氧化锌; 锌氧粉; 锌白; 锌白粉; 锌华; 亚铅华; 预分散ZnO-80; 母胶粒ZnO-80; 药胶ZnO-80; 活性剂ZnO; 环氧乙酰蓖麻油酸甲酯; 中国白; 锌白银; 活性氧化锌; 一氧化锌; 氧化锌掺杂银; 锌白银(色料名); 纳米氧化锌; 水锌矿; 氧化锌脱硫剂T304; 氧化锌脱硫剂T303; 金属氧化物; ZnO英文别名:C.I. 77947; C.I. Pigment White 4; Zinc oxide [USAN]; zincoxideheavy; flowers of zinc; zinc white; zinc oxide,edible; active zinc oxide;zinkoxyd aktiv; zinci oxidum; activox; activox b; actox14; zine oxide; zine white; zincoxide; actox16; actox216; ai3-00277; akro-zincbar85; akro-zincbar90; amalox; azo22; azo-33; azo-55; azo-55tt; azo-66; azo-66tt[1]CAS编号:1314-13-2物理性质分子量81.39熔点1975 °C密度 5.6折射率 2.008~2.029form nanopowder水溶解性 1.6 mg/L (29 oC)Merck 14,10147稳定性Stable. Incompatible with magnesium, strong acids 白色六方晶系结晶或粉末。
ZnO稀磁半导体
Zn1-xMnxO薄膜的光致发光性质 薄膜的光致发光性质
随着Mn掺杂含量的增加,带 边发射峰的位置发生蓝移, 即往高能方向漂移。带边发 射峰的蓝移可能来源于因Mn 进入ZnO晶格后所导致的 Burstein-Moss effect、自旋 相关激发或者晶格畸变
经600℃氧气处理的Zn1-xMnxO 薄膜的光致 发光谱,其中A、B、C和D分别代表Mn名义 含量为0、2%、4%和6%的样品。
制备原理
等离子体化学气相沉积技术原理是利用直流(交流)、射频或微波方式实现 低压气体在高频(13.56MHz)电场作用下的辉光放电,衬底置于低压辉光放 电的阴极上,等离子体中的反应气体在高速运动电子的猛烈轰击下引起激发、 电离或解离,生成各种激发分子、原子或离子,这些粒子常以扩散的方式到 达衬底的表面形成固态膜。
等离子体增强化学气相沉积法制备 ZnO稀磁半导体
内容
稀磁半导体介绍 ZnO稀磁半导体材料的PECVD制备方法 实验结果及分析
稀磁半导体的基本概念
稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors, 简写为 DMSs)亦称半磁半导体,是指磁性过渡族金属元素(Fe, Co, Ni, Mn 等)或稀土金属元素( Eu, Gd等)替代部分II-VI族、IV-VI族、 II-V族或III-V族等半导体中部分非磁性元素后所形成的一类新型 半导体合金材料。根据掺杂磁性元素量的多少可分为非磁性、 稀磁和磁性半导体三种类型稀磁半导体材料由于磁性元素的掺 入而表现出一系列不同于常规半导体的奇异属性,如磁光效应、 磁电阻效应和塞曼劈裂等最近几年,稀磁半导体的研究一直都 是自旋电子学研究领域的热点。
利用PECVD技术在低温下制备出室温铁磁性Zn1-xMnxO稀磁半导体薄膜, 其中掺杂元素Mn在ZnO薄膜中的的名义百分比分别为0、2%、4%、6%和 30%(根据蒸发靶中Mn/Zn原子百分比而定义的)系统地研究ZnO薄膜及其 ZnO基稀磁半导体薄膜的结构特性、光学、电学和磁学性质。 对其进行一 下分析:
ZnO材料和器件新进展
20 年 第 3 08 期
的竞争力,费用预计将 向低方向发展,而化石燃料的价格预计仍上涨 。 材料挑战 用于硅光伏 电池的薄膜聚合物衬底将会通过使非晶硅薄层更加有效地发挥作用而降低 材料的成本 。这些非晶硅薄层只有约 lm 厚,而不是像传统晶硅晶圆那样厚几百微米。由 g 于非晶硅的半导体特性与传统的硅电池不同, 因此非晶硅还可 以制作得更薄, 使电池效率更
一
品中观察到量子霍 尔效应 ( H ,这说 明 Mg n /n 界面 中存在高质量二维 电子气 Q E) Z OZ O (DE 。 2 G)在 O3 衬底 上 用基 团 MB E生 长 的 Z n极 Mg n Z O异 质 结界 面甚 至观 察 至“ Z O/n 0更 好”的 2 E ,其 2 E D G D G迁移率随温度下降 ( 3 0 从 0K到 4 连续提高 : 5c 2 .到 25 K) 20m / s 7 0 E cm 2 s 而相应的 Z O “ n 三维 ”迁移率仅 10m /. 4 0c 2 s( K)和 1c : s(0 K) E 0m 3 0 。异质结
3
维普资讯
20 年 第 3 08 期
对 2英寸晶片的深入研究表 明: 材料结构质量很高,(0 ) 0 2 摇摆 曲线线宽仅为 l 弧秒, 10 8 10 ℃退火后,其位错密度<o/m , K时 P lo c : 4 L谱上束缚激子线 宽<.m V O 5e ,但材料中某些杂质
延 的器件 。 a G N体单晶的缺乏一直是 Ga N材料系统的一大缺憾 :因为失配外延层中总是有 高密度缺陷 ( 如位错) 。在 2 0世纪 9 年代末期,开始研制 2 0 英寸 Z O 晶片 ( G 生长 n 为 a N 提供衬底 ) 。随后用气相法生长出了很纯的材料。不久又用高压熔体生长法 生长 Z O单晶, n 并有 2英寸晶片出售, 这种材料纯度不如气相生长材料但不失为一种通用的衬底 。 第三种生 长方法是水热法,日本某公司已有 2英寸和 3英寸晶片出售,据说,4 英寸晶片也 已制出。
ZnO纳米线纳米片及其应用
1.n型ZnO与p型GaN型LED 常见的p-n结的组成结构是n-型ZnO纳米线垂直生长在以p型GaN为缓冲层的蓝宝石衬底上 如下图[3]。
[1]Ozgur et al., J. Appl. Phys. 98, 041301(2005) [2]A. Tsukazaki et al.,Nat. Mater. 2005 , 4 , 42 [3]W. I. Park and G. C. Yi, Ad. Mater. 2004,16, No.1
后来,研究者们研究了利用不同染料[1][2],或制备不同长度的ZnO纳米线(最长33μm)
[3],以及利用在上Fe或Pt微米棒上生长ZnO NW阵列并置于柔性衬底上[4]的ZnO NW基
DSSC。
利用N3,红汞,罗明丹做染料得到的DSSC性能参数如下:
染料
Jsc(mA cm–2) Voc(V)
η(%)
n型ZnO与p型GaN型LED主要性能参数
正向导通电压: 不同制备方法得到的ZnO纳米线由于与各种缺陷以及与GaN的界面缺陷等,使得正向导通 电压各不同。n型ZnO与p型GaN型LED正向导通电压一般在2.5V[1]~3V[2]之间。
EL发光光谱: ZnO-GaN LED发光光谱主要由ZnO带边发光光谱及p-GaN掺杂发光光谱组成。 不同的研究者利用不同的方法得到ZnO-GaN LED发光光谱不同,例如: Park et al.[3]利用MOCVD法制备的ZnO-GaN LED有两个发光峰,分别位于450 and 560 nm处。 Jeong et al.[4]同样利用MOCVD法制备的ZnO-GaN LED的发光峰在386nm处。 而利用CVD法: Fu et al.[5]制备的ZnO-GaN LED的发光峰在405nm处; Zhang et al.[6]的到发光峰在440nm处,并且随着偏压的增大,发光峰从440nm处移到 400nm处。
ZnO半导体纳米材料的研究_图文(精)
ZnO半导体纳米材料的研究目录Abstract: 2Keywords: 3引言 3一、 ZnO纳米材料的概况 41.1 ZnO晶体结构 41.2 ZnO纳米的结构 51.2.1 ZnO纳米棒阵列薄膜的结构与形貌 61.2.2 梳子状ZnO纳米结构 7二、ZnO的制备方法 82.1 热蒸发法 82.2模板辅助生长法 92.3化学气相沉积法 102.4 水热法和溶剂热法 10三、纳米技术的应用 113.1纳米技术在陶瓷领域的应用 113.2纳米技术在化工领域的应用 123.3纳米技术在医学领域 123.4 技术在分子组装方面的应用 133.5 其它 13四、纳米ZnO的前景展望 13参考文献 14摘要:ZnO 纳米材料是至少在一个维度上为纳米尺寸的分子及以其为单元组成的材料。
由于其特殊的结构和性质,这种材料可以作为未来纳米分子电子器件、小分子吸附及储存材料。
本文将从合成、结构、性质、应用等方面,结合最新进展对这一充满活力并有着应用前景的领域作一简要概述。
包括ZnO 纳米材料的基本概念、特性、制备方法、应用以及发展前景等。
关键词:ZnO 纳米材料,制备及合成,性能,应用Abstract :Keywords :引言最近十年,具有压电和光电特性的ZnO 材料受到了国内外学术界的广泛关注。
ZnO 是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV ,激子束缚能为60meV 。
作为一种多功能氧化物半导体,ZnO 及掺杂ZnO 纳米材料已经成为目前大家研究的热点【1】。
纳米级ZnO 由于粒子尺寸小,比表面积大,具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等,与普通ZnO 相比,表现出许多特殊的性质,如ZnO 具有无毒和非迁移性、荧光性、很高的导电、导热性能和化学稳定性及良好的紫外吸收性能,这一新的物质形态,赋予ZnO 这一古老产品在科技领域许多新的用途。
如:利用ZnO 的体积效应、表面效应和高分散能力,在低温低压下,就可将纳米ZnO 作为陶瓷制品的原料直接使用,生产出外观光亮、质地致密、性能优异的陶瓷制品,并可使陶瓷制品的烧结温度降低400~600℃,简化生产工序,降低能耗。
ZnO中本征缺陷和掺杂与发光的关系及其作用机理
ZnO中本征缺陷和掺杂与发光的关系及其作用机理一、本文概述氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带直接带隙半导体材料,因其独特的物理和化学性质,在发光二极管、太阳能电池、透明导电薄膜、气体传感器等领域具有广泛的应用前景。
然而,ZnO中本征缺陷和掺杂的存在对其性能产生了显著影响。
因此,深入研究ZnO中本征缺陷和掺杂与发光的关系及其作用机理,对于优化ZnO基器件的性能和推动相关领域的科技进步具有重要意义。
本文旨在全面综述ZnO中本征缺陷和掺杂与发光的关系及其作用机理。
我们将介绍ZnO的基本性质和制备方法,为后续研究奠定基础。
接着,我们将详细分析ZnO中的本征缺陷类型及其对发光性能的影响,包括氧空位、锌空位、锌间隙原子等。
在此基础上,我们将进一步探讨掺杂元素对ZnO发光性能的影响,包括掺杂类型、掺杂浓度等因素。
我们将总结ZnO中本征缺陷和掺杂的作用机理,并提出未来研究方向和潜在应用。
通过本文的综述,我们期望能够为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示,推动ZnO基器件的性能优化和科技进步。
二、ZnO的本征缺陷与发光ZnO作为一种宽禁带半导体材料,其本征缺陷在发光性质中起着至关重要的作用。
ZnO的本征缺陷主要包括锌间隙原子(Zn_i)、氧空位(V_O)、锌空位(V_Zn)以及反位缺陷(O_Zn和Zn_O)等。
这些缺陷的存在不仅影响了ZnO的电子结构,还在很大程度上决定了其发光性质。
锌间隙原子(Zn_i)和氧空位(V_O)作为施主型缺陷,它们可以在ZnO的导带中引入额外的电子,从而改变其电子浓度和费米能级位置。
这种电子浓度的变化会进一步影响ZnO的光致发光(PL)性质,导致可见光波段的发光增强。
锌空位(V_Zn)和反位缺陷(O_Zn和Zn_O)通常作为受主型缺陷存在,它们可以在价带中引入空穴。
这些空穴与导带中的电子复合时,会释放出能量,表现为发光现象。
特别是深能级缺陷,如锌空位和反位缺陷,它们的发光通常位于近红外或红外波段,对于ZnO在光电器件中的应用具有重要意义。
纳米氧化锌的制备及应用
纳米氧化锌的制备及应用
纳米氧化锌(ZnO)是一种重要的二维非金属半导体纳米材料,可应用于传感器、光电子器件、非线性光学器件、荧光粉及生物传感器,既可有很好的特性又可在大量生产中实现实际应用。
根据结构形态而定,纳米颗粒形状可分为板条状、线形、长针形、螺旋状、柱状等几种形状。
纳米氧化锌的制备常用的方法包括溶胶—凝胶法和溶胶—冻胶法,这些方法的共同优点是快速,成本低廉,两种获得的结果也比较可靠。
纳米氧化锌在功能材料上应用极为广泛,最突出的应用应该是其生物感应性和光催化的功能。
除此之外,它还可用于光有源器件、电机磁体及水净化行业。
纳米氧化锌还能释放出氧离子,并生成臭氧气体,同时能快速杀灭有害物质馒头,有助于保持室内空气某洁净,也可有效杀灭室内各种有害生物及耐热再生造纸领域的各种有害物质。
纳米氧化锌作为一种功能材料,越来越受到人们的关注和重视,制备出来的 ZnO具有锐利的照明和特殊物理化学功能,它可以用于传感器、光电子器件、非线性光学器件、荧光粉及生物传感器等广泛领域。
但是,由于其制备条件较复杂,而且ZnO相对较容易污染,这也成为ZnO纳米技术发展的瓶颈所在,需要进一步改善。
纳米结构ZnO的制备及性能研究
纳米结构ZnO的制备及性能研究一、本文概述氧化锌(ZnO)是一种重要的半导体材料,因其独特的物理和化学性质,在纳米科技领域引起了广泛的关注。
纳米结构ZnO的制备及性能研究对于推动材料科学、电子学、光电子学、生物医学等多个领域的发展具有重要意义。
本文旨在深入探讨纳米结构ZnO的制备方法、结构特性、以及其在各种应用场景中的性能表现。
本文将概述纳米结构ZnO的基本性质,包括其晶体结构、能带结构、光学特性等。
随后,我们将详细介绍几种常见的纳米结构ZnO制备方法,包括物理法、化学法以及生物法等,并对比各种方法的优缺点。
在此基础上,我们将重点关注纳米结构ZnO的性能研究,包括其电学性能、光学性能、光催化性能、以及生物相容性等。
我们将通过实验数据和理论分析,全面揭示纳米结构ZnO的性能特点及其在不同应用场景中的潜在应用价值。
本文还将展望纳米结构ZnO的未来发展趋势,探讨其在新能源、环保、生物医学等领域的应用前景。
我们希望通过本文的研究,能够为纳米结构ZnO的制备和性能优化提供有益的参考,推动其在各个领域的实际应用。
二、ZnO纳米结构的制备方法ZnO纳米结构的制备方法多种多样,主要包括物理法、化学法以及生物法等。
这些方法的选择取决于所需的ZnO纳米结构的尺寸、形貌、纯度以及应用的特定要求。
物理法:物理法主要包括真空蒸发、溅射、激光脉冲沉积等。
这些方法通常在高温、高真空环境下进行,能够制备出高质量的ZnO纳米结构。
然而,这些方法通常需要昂贵的设备和复杂的操作过程,限制了其在大规模生产中的应用。
化学法:化学法因其设备简单、操作方便、易于大规模生产等优点,在ZnO纳米结构制备中得到了广泛应用。
其中,溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、水热法和微乳液法等是常用的化学制备方法。
例如,溶胶-凝胶法通过控制溶液中的化学反应,可以制备出具有特定形貌和尺寸的ZnO纳米颗粒。
化学气相沉积法则可以通过调节反应气体的流量、温度和压力等参数,实现ZnO纳米线的可控制备。
ZnO纳米半导体材料制备
ZnO纳米半导体材料制备ZnO纳米半导体是一种重要的半导体材料,在化学、电子学、材料学等领域有着广泛的应用。
本文主要介绍ZnO纳米半导体材料的制备方法及其应用。
一、ZnO纳米半导体材料制备方法1. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备ZnO纳米材料的方法。
该方法以氧化锌为前驱体,将其以适当的浓度溶解在有机溶剂中,加入表面活性剂后通过水热处理得到ZnO纳米晶粒。
2. 水热法水热法是一种快速简单的制备ZnO纳米半导体材料的方法。
该方法可以通过改变反应物浓度、反应温度和反应时间等条件来控制ZnO纳米晶粒的大小和形状。
3. 热分解法热分解法是一种通过分解金属有机化合物制备ZnO纳米晶粒的方法。
该方法可以制备高品质的ZnO纳米晶粒,但需要高温下进行反应,操作较为复杂。
4. 气相沉积法气相沉积法是一种将气相反应物在高温下沉积在基底表面上制备ZnO纳米晶粒的方法。
该方法可以通过控制反应条件来调控ZnO 纳米晶粒的大小和形状。
二、ZnO纳米半导体材料的应用1. 光电器件ZnO纳米半导体材料在太阳能电池、LED等光电器件方面有着广泛的应用。
ZnO纳米材料可以提高器件的光电转换效率、增加光敏度、减少暗电流等。
2. 生物医学领域ZnO纳米材料在生物医学领域有着广泛的应用。
ZnO纳米颗粒可以用作抗菌剂、药物传递系统、生物成像等方面。
3. 环境保护ZnO纳米材料在环境保护领域有着广泛的应用。
ZnO纳米颗粒可以用作光催化材料、气体传感器、废水处理等方面。
4. 纳米传感器ZnO纳米材料在纳米传感器领域有着广泛的应用。
ZnO纳米颗粒可以用作气敏材料、湿度传感器等方面。
ZnO纳米半导体材料是一种重要的材料,在各个领域都有着广泛的应用前景。
随着制备技术的不断发展,ZnO纳米材料的性能和应用将会得到更大的提升。
《材料科学与工程综合实践》半导体ZnO陶瓷的制备和性能研究
《材料科学与工程综合实践》半导体ZnO陶瓷的制备和性能研究目录一、文献综述---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1研究背景 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1.1 氧化锌是什么------------------------------------------------------------------------------------- 11.1.2 研究氧化锌的意义 ------------------------------------------------------------------------------ 11.1.3 氧化锌的晶体结构 ------------------------------------------------------------------------------ 11.2研究现状 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2.1半导体 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2.2半导化 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2.3半导体氧化锌陶瓷的电导率范围 ----------------------------------------------------------- 31.2.4半导化方法----------------------------------------------------------------------------------------- 31.2.5半导体氧化锌陶瓷的现状 --------------------------------------------------------------------- 61.2.6铝掺杂氧化锌的合成及表征 ----------------------------------------- 错误!未定义书签。
zno发光特点
zno发光特点ZnO(氧化锌)是一种广泛应用于发光材料中的半导体材料,具有许多优异的光电性能和化学稳定性。
在此,我们将重点讨论ZnO在发光方面的特点。
1. 宽波长范围的发光ZnO材料在紫外到绿色波长范围内都能够发出强烈的荧光。
其中,ZnO的紫外荧光主要来自于ZnO的自由激子(free exciton),而绿色荧光则来自于材料中的缺陷(如氧空位、氧杂质、锌空位等)和掺杂(如锂、氢等元素掺杂)所引起的。
因此,ZnO在宽波长范围内都具有很高的发光效率和色纯度。
2. 高亮度和短寿命的发光ZnO作为一种半导体材料,具有高亮度和短寿命的发光特点。
由于ZnO的能隙为3.37 eV,属于紫外光范围,因此其带隙发光(band-edge emission)的波长很短,约为380 nm,这使得ZnO的发光强度非常高。
同时,ZnO的缺陷态发光(defect-related emission)的寿命很短,通常只有几纳秒到几十纳秒的时间,这说明了ZnO材料在发光速度方面的优异性能。
3. 可控的发光波长ZnO的发光波长可以通过控制其晶体结构、掺杂和表面处理等方式来实现。
例如,通过在ZnO晶体中引入氧空位和氧杂质等缺陷,可以使其绿色发光的波长范围从500 nm到600 nm不等。
另外,通过掺入一些稀土元素(如Eu、Tb等)或者有机染料,也可以实现对ZnO发光波长的调控。
4. 高稳定性和耐久性ZnO作为一种无机材料,具有很高的化学稳定性和耐久性,可以在多种环境中长期稳定地发光。
此外,ZnO的光学性质不受温度、湿度等环境因素的影响,这使得其可以在各种极端条件下应用于发光领域。
ZnO具有宽波长范围的发光、高亮度和短寿命的发光、可控的发光波长以及高稳定性和耐久性等特点。
这些优异的性能使得ZnO成为一种重要的发光材料,在照明、显示、生物成像等领域有着广泛的应用前景。
半导体材料ZnO专题介绍
3.2 化学气相输运法................................................14
4.ZnO的薄膜的制备.................................................16
5.2 ZnO的问题与挑战...............................................23
5.3 ZnO的前景.....................................................24
谢 辞..............................................................25
近年来,氧化锌开始被用作半导体材料。日本岛根大学2008年11月18日宣布开发出一种在光线照射下能发出荧光的氧化锌纳米粒子,其发光稳定且安全,可应用于尖端医疗领域。【1】
1.2 基本性质
1.2.1 晶体结构
ZnO可以有三种可能的晶体结构。如图1所示,分别为闪锌矿型结构(与金刚石类似,可看成氧原子FCC排列,4个锌原子占据金刚石中晶胞内四个碳原子的位置),纤锌矿型结构(六方结构,氧原子层和锌原子层呈六方紧密排列)和立方岩盐结构(即NaCL型结构)。【2】
1.2.3.2透明导体特性
ZnO的光学透明性是由宽禁带引起的。ZnO带隙宽,对可见光和红外光吸收很小,基本上是透明的。蒋向东等人在假定可见光和红外辐射吸收为零的情况下,推导出ZnO在可见光和红外区的理论透过率为76%~96%;实验测量值为70%~90%,与理论值还是相符的。ZnO的透光率与膜厚、衬底温度等因素有关。一般地,膜厚增加,吸收增加,透光减少。ZnO的导电性主要不是依赖本征激发,而是靠附加能级的电子或空穴激发。ZnO半导体附加能级的产生和它的化学计量比偏移即氧过剩(造成氧空位)或氧不足(造成锌填隙)有关。化学计量比偏移程度在技术上很难控制,实际生产是用掺杂A1203的方法来控制ZnO薄膜的导电性。ZnO的导电性也受膜厚影响。一般地,膜厚增加,导电增强。电阻率急剧下降(比透光率下降明显得多);当膜厚增加到一定厚度时,电阻率不会再继续下降,而是趋于一个饱和值。【9】
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ZnO半导体材料及器件【摘要】在过去的十多年时间里里,ZnO作为半导体具有独特的性质而倍受瞩目和广泛研究。
例如,ZnO具有较高的电子迁移率,是直接带隙半导体,具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。
在光电器件的应用上,ZnO已经被认为是一种很有潜力的材料,而制造高质量的p型ZnO是实现其应用的关键。
由本征缺陷或者氢杂质引起的较强的自补偿效应使得通过掺杂来制得p型ZnO半导体非常困难。
尽管如此,通过研究者们的努力,在制备高质量的p型ZnO半导体和基于ZnO的器件上已经取得了很大的进步。
【关键词】p型ZnO;ZnO器件1997年D. M. Bagnall等人在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射[1]。
美国Science杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对该结果作了报道.由此,掀起了对ZnO的研究热潮。
D. M. Bagnal等利用等离子体增强分子束外延在蓝宝石的(0001)衬底上生长的ZnO 薄膜,在室温下、阈值激励强度为240kW cm-2的条件下发出了激光(见下图)。
一、ZnO的性质(1)ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料,其晶体结构与GaN一致,晶格常数与GaN的非常接近,在电子和光电子器件应用方面具有很多吸引人的特征与优点。
(2)ZnO的直接带隙很宽(Eg~3.37 eV 在300 K下),与GaN的相当(Eg~3.4 eV 在300 K下)。
而GaN已经广泛应用于制作绿光、蓝光以及白光发光器件。
(3)室温下ZnO的激子束缚能高达60meV,是GaN(约24meV)的2倍,也比室温热离化能(25meV)高许多,激子复合可以在室温下稳定存在,也可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发射,且激射阂值比较低。
如此高的激子束缚能能够提高发光效率。
(3)通过掺杂Cd或者Mg,ZnO的禁带宽度(Eg~3.37 eV)可以有效地在3~4.5eV之间调整.(4)ZnO薄膜可以大面积、均匀地生长在多种衬底上,这样就具有更加广泛的应用范围,而GaN薄膜只能生长在一些如SiC、蓝宝石、Si等特定的衬底上。
而且,ZnO可以生长在同质衬底上,而GaN不行。
(5)ZnO可以在相对较低的温度下生长,所使用的衬底多种多样,既可以生长在单晶衬底(如ZnO、蓝宝石A12O3、Si等)上,也可以生长在非晶衬底(如玻璃、塑料等)上。
高质量的ZnO薄膜的生长温度大约为500℃,远低于GaN(>1000℃)(6)ZnO还具有更加简单的晶体生长工艺,因此基于ZnO器件的成本也将更加低廉。
(7)ZnO单晶中电子的室温霍尔迁移率在所有的氧化物半导体材料中是最高的,约为200 cm2V-1s-1,略小于GaN的电子迁移率,但其饱和速率却比GaN的高。
(8)除了体单晶和薄膜之外,ZnO的纳米结构异常丰富,纳米结构的高比表面积使之非常适合应用于传感与探测领域。
(8)ZnO具有良好的抗辐射性能,因而可以在太空或核应用等恶劣的环境下工作。
此外,ZnO还具有热稳定性高、生物兼容性好、带隙宽度调节的合金体系(ZnMgO和ZnCdO)完备、体单晶易得、刻蚀工艺简单等优点,而且原料丰富、价格低廉、无毒无污染,是一种绿色环保型材料。
基于以上特性,ZnO被认为是新一代的光电半导体材料,具有广阔的应用前景,在全球范围内掀起了研究热潮。
下表是ZnO和GaN性质的对比:二、p型ZnO生长技术ZnO材料由于存在大量的本征缺陷以及杂质的自补偿效应,使得原生的ZnO材料表现为n型导电,实现可重复稳定高效低阻的p型ZnO薄膜具有较大的挑战性。
为了实现ZnO在光电器件上的应用,研究人员已经用了多种生长方法去获得低电阻率的p型ZnO材料,比如脉冲激光沉积法(PLD),分子束外延(MBE),金属有机化学沉积(MOCVD),磁控溅射等。
1.MBEF. X. Xiu等首次用分子束外延(MBE)制备了掺杂Sb的p型ZnO薄膜[2]。
室温下,其电阻率低至0.2Ωcm(见下图),并且具有高达1.7×1018cm-3的空穴浓度和20.0cm2/Vs的Hall迁移率。
下图显示了Hall迁移率μH随着温度的变化,插图是电阻率随着温度的变化曲线。
在40K,测得的μH值为1900.00cm2/Vs,而在300K,测得的μH值为20cm2/Vs。
他们还测量了不同温度下的PL谱,从中得出Sb掺杂的受主能级大约比价带高0.2eV。
以上的实验结果说明,制备p型ZnO,Sb是非常好的掺杂剂。
2.MOCVDYen-Chin Huang等人采用在大气压下MOCVD,在GaAs(100)衬底上制备ZnO薄膜[3],他们分别用二乙基锌(C4H10Zn)和去离子水作为锌源和氧源,然后在不同的温度下(500~650℃)下退火处理。
下图展示了电阻率,Hall迁移率以及空穴浓度随着ZnO膜退火温度不同而变化。
从图中可看出制备的p型ZnO膜的电阻率很低,在数量级在10-2Ωcm;迁移率在25~74cm2/Vs左右;退火后的ZnO膜的空穴浓度在4.7×1018cm-3~8.7×1018cm-3之间。
这些数据表明制备的p型ZnO的质量比较高。
下图显示了未退火和分别在500、550、600、650℃下退火的ZnO膜,在室温下测得的PL谱。
显然,光致发光强度在很大程度上取决于退火温度。
从图中可以看出,未退火和在500℃下退火的样品显示很弱的近带边发射光谱强度。
三、ZnO器件1.基于p型ZnO的LED➢在2005年日本人Tsukaza 等发表在nature materials上的一篇文章,报道了基于N掺杂的p型ZnO的LED发射紫光[4]。
ZnO薄膜和LED是用N作为p型掺杂的分子束外延(MBE)制备的。
下图(a)是该LED的结构示意图这个器件中掺N的p型ZnO的空穴浓度是2×1016cm-3。
图(b)是这个器件的I-V曲线,其阈值电压为7V,从图中可看出该器件具有较好的整流特性。
图(c)蓝线是这个p-i-n结的电致发光谱(EL),从紫光到蓝光区域具有多级反射干涉边,与本征ZnO薄膜的激子发射(3.2eV,紫外光)相比,它显示了一个红移现象。
产生这个现象的部分原因是在p型ZnO中较低的空穴浓度:从本征ZnO层到p型ZnO层的电子注入超过从p型ZnO层到本征ZnO的空穴注入。
黑线是p型ZnO薄膜在300K下的光致发光谱(PL),与EL谱中的副主峰吻合的很好。
这篇文章说明ZnO是一个很有潜力的制作短波光电器件的材料,比如LED显示器、固态照明和光电探测器等。
(a)典型p-i-n结LED的结构(b)这个p-i-n结的I-V特性曲线(c)这个p-i-n结的EL谱(蓝线),p型ZnO薄膜在的PL谱(黑线),300K他们的实验结果证明了利用分子束外延生长出了高质量的ZnO外延层,这个高质量的外延层可以用来制作基于ZnO的发光器件。
➢2006年,韩国研究人员Jae-Hong Lim等在AM上发表了的一篇文章[5],他们在蓝宝石衬底上用射频磁控溅射方法制备了ZnO p-n同质结。
其结构和EL发光谱如下图所示。
n型ZnO膜利用ZnO:Ga2O3作为靶材溅射得到,厚度约为1.5微米。
p型ZnO通过ZnO:P2O5作为靶材溅射得到,厚度约为400nm。
结果显示,Ga掺杂ZnO载流子浓度约为2.2×1018cm-3,磷掺杂的ZnO载流子浓度为1.0×1019cm-3。
在正向偏压注入电流为20mA时,可以观测到明显的紫外发光和可见光发光。
随着注入电流的增大,紫外发光和可见发光都增强。
电致发光和光致发光的发光峰位置基本一致,说明在p型ZnO 薄膜中实现了有效的电子空穴对的复合。
ZnO同质结器件结构EL光谱2.基于p型ZnO的LD在2011年,Sheng Chu在Nature Nanotechnology上报道了n型ZnO薄膜p型ZnO纳米棒同质结中的电泵浦F-P模激射[6]。
其制备流程如下:首先在蓝宝石衬底上利用等离子辅助的分子束外延方法生长了一层1050nm厚度的高质量氧化锌薄膜层;而后利用气相传输法在n型ZnO薄膜上外延生长了Sb掺杂的p型ZnO纳米线,该纳米线长度约3.2微米,直径约200nm。
他们首先利用光泵浦技术实现了该纳米棒中的光泵浦激射,在此基础上将上述同质结结构制备成发光二极管器件。
首先在n型ZnO薄膜上制备了Au/Ti(100nm/10nm)接触电极,而后在ZnO纳米棒上制备了ITO透明电极,为了防止ITO电极和纳米棒底部的n型ZnO薄膜直接接触,在ZnO纳米棒上利用旋涂技术旋PMMA薄膜,使得PMMA绝缘聚合物填塞ZnO纳米棒之间的空隙。
器件结构图如下图(a)所示,b 是他们制备的样品的照片。
从图c中可以清晰地看到p型ZnO纳米棒阵列,其底部即为ZnO 薄膜。
(a)ZnO基激光二极管的结构示意图;(b)样品照片;(c)ZnO薄膜和纳米线阵列的横截面SEM;下图显示了在注入电流为20~70mA之间,这个激光二极管的电致发光(EL)谱。
在低的注入电流下(20~40mA),只能观察到集中在~385nm处的自由激子自发辐射。
在正向注入电流为50mA时,观察到了ZnO纳米棒c轴方向F-P模式的激射。
进一步增加注入电流的大小,激发了更多的纳米线产生激光,从而增加了发射激光峰的数量。
(a)注入电流为20~70mA时的电致发光图谱;(b)与电致发光图谱相对应的断面光学显微镜图片四、总结尽管制备p型ZnO很困难,但是在过去的十几年时间里,在制备p型ZnO和其器件方面还是取得了很大成就。
基于p型ZnO材料的多种器件已经被制备出来,有些器件的性能甚至已经达到了基于GaN器件的水平。
但是,为了使ZnO更好地实现商业化用途,还是有很多问题值得去更进一步研究。
(1)制备高空穴浓度、高迁移率以及低电阻率的p型ZnO。
这需要我们更好地控制缺陷自补偿效应,提高受主掺杂剂在ZnO中的溶解度。
(2)深入了解在ZnO中p型掺杂的机制。
这有助于我们找到在ZnO中实现高水平掺杂的方法。
(3)制备基于ZnO的高质量的p-n结。
对于光电器件,p-n结需要有较好的截止电压和开启电压。
(4)p型ZnO 的带隙工程。
对于一些光电器件(如LED、LD等)来说,量子阱结构非常重要,而且量子阱可以通过带隙工程实现。
因此,为了得到实用的基于ZnO的器件,我们需要进一步研究,通过在p型ZnO中掺杂MgO、BeO或者CdO来调整其带隙宽度。
参考文献【1】D. M. Bagnall, Y. F. Chen, Z. Zhu, T. Yao, S. Koyama, M. Y. Shen, and T. Goto. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. [J].Appl. Phys. Lett.70(17), 28 April 1997.【2】F. X. Xiu, Z. Yang, L. J. Mandalapu, D. T. Zhao, J. L. Liu, and W. P. Beyermann.High-mobility Sb-doped p -type ZnO by molecular-beam epitaxy.APPLIED PHYSICS LETTERS87, 152101 (2005).【3】Yen-Chin Huang, Li-Wei Wei, Wu-Yih Uen,∗Shan-Ming Lan, Zhen-Yu Li, Sen-Mao Liao,Tai-Yuan Lin, Tsun-Neng Yang.Annealing effects on the p-type ZnO films fabricated on GaAs substrate by atmospheric pressure metal organic chemical vapor deposition.[J] Journal of Alloys and Compounds509 (2011) 1980–1983【4】A TSUSHI TSUKAZAKI, AKIRA OHTOMO et al. Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO.[J]nature materials |VOL 4 | JANUARY 2005 |【5】Jae-Hong Lim, Chang-Ku Kang, Kyoung-Kook Kim,Il-Kyu Park,Dae-Kue Hwang, and Seong-Ju Park*.UV Electroluminescence Emission from ZnO Light-Emitting Diodes Grown by High-Temperature Radiofrequency Sputtering.[J]Adv. Mater.2006,18, 2720-2724【6】Sheng Chu1†, Guoping Wang1†, Weihang Zhou2, Yuqing Lin3, Leonid Chernyak3, Jianze Zhao1,4,Jieying Kong1,LinLi1,JingjianRen1and Jianlin Liu1*.Electrically pumped waveguide lasing fromZnO nanowires.NA TURE NANOTECHNOLOGY| VOL 6 | AUGUST 2011 |。