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论文开题报告1


论文题目 宽禁带半导体 ZnO 的调研 一、选题背景和意义 Zn0 是一种新型的 II-VI 族宽禁带半导体材料,具有优异的晶格、光电、压电和 介电特性,和 III-V 族氮化物及 II-VI 族硒化物比具有很多潜在的优点。首先, 它是一种直接带隙宽禁带半导体,室温下的禁带宽度为 3.37eV,与 GaN(3.4eV) 相近,而它的激子结合能(60meV)却比 GaN(21meV)高出许多,因此产生室温短波 长发光的条件更加优越;而且 ZnO 薄膜可以在低于 500℃温度下获得,不仅可以 减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷,同时也大大简化了制备工艺;同时 ZnO 来源丰富,价格低廉,又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO 在 UV、蓝 光 LED 和 LDS 器件等研究方面被认为是最有希望取代 GaN 的首选材料,ZnO 已经 成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。 国内外有很多科研团队都在进行 ZnO 的研究. 虽然 Zn0 暂时不能完全取代 si 在电子产业中的基础地位,但是 ZnO 以其特殊的性质成为 Si 电路的补充。 国内外对于 ZnO 的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜 ZnO、纳米 ZnO 或是体单晶 ZnO,文献很好地总结了 2003 年之前的国外 ZnO 晶体 的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶 ZnO 生产已经成为可能,单晶 ZnO 通过加工可以作为 GaN 衬底材料。ZnO 与 GaN 的晶体结构、晶格常量都很相似。 晶格失配度只有 2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小,可以解决目前 GaN 生长困难的难题。GaN 作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料,在 DVD 播放器 中有重要的应用。由于世界上能生产 ZnO 单晶的国家不多,主要是美国、日本。 所以 ZnO 单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来,材料制备技术的突破,纳米 ZnO 半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。 本文介绍了 ZnO 薄膜具有的许多优异特性,优良的压电性、气敏性、压敏性 和湿敏性,且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、 气敏元件等领域得到广泛的应用。 随着对 ZnO 紫外受激发射特性的研究和 P 型掺 杂的实现,ZnO 作为光电材料在紫外探测器、LED、LD 等领域也有着巨大的应用 潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。 目前, 我国各类氧化锌处于供不应求的状况,而以活性氧化锌和纳米氧化锌 取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势,可见,今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市 场前景。 二、课题关键问题及难点 要深入研究该方面的知识,就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生,如何 在现有知识的基础上,阅读并理解有关书目、文献,总结归纳相关理论和研究方 法,是本课题首先要解决的关键问题。

首先, 要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性,然后再细致的查找氧化锌薄 膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。 同时要寻找纳米氧化锌材料与普通 氧化锌材料相比有哪些优点、 在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关 资料并阅读和理解之后, 合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和 应用。 三、文献综述 当前,电子器件的使用条件越来越恶劣,要适应高频、大功率、耐高温、抗 辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求,必须采用新的材料,以便最大限 度地提高电子元器件的内在性能。近年来,新发展起来了第三代半导体材料—— 宽禁带半导体材料,该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介 电常数低等特点,这就从理论上保证了其较宽的适用范围。 Zn0 是一种新型的 II-VI 族宽禁带半导体材料,具有优异的晶格、光电、压 电和介电特性,和 III-V 族氮化物及 II-VI 族硒化物比具有很多潜在的优点。 ZnO 晶体具有四种晶体结构,闪锌矿结构;纤锌矿结构;NaCl 结构;CsCl 结构。ZnO 晶体随着环境条件的改变形成不同结构的晶体。ZnO 晶体中的化学键 既有离子键的成分,又有共价键的成分,两种成分的含量差不多,因而使得 ZnO 晶体中的化学键没有离子晶体那么强, 导致其在一定的外界条件下更容易发生晶 体结构上的改变 ZnO 的紫外受激发射性质与应用 ZnO 是一种理想的短波长发光器件材料。能以带间直接跃迁的方式获得高效 率的辐射复合。ZnO 薄膜还具有较低的激射阈值,这主要是由于 ZnO 很高的激子 束缚能(室温下为 60meV)可以大大降低低温下的激射阈值,而且在室温下适当的 激发强度,ZnO 激子间的复合可取代电子-空穴对的复合,因而可预期一个低的 阈值来产生受激发射。 ZnO 的紫外受激发射中主要是紫外光波段、蓝绿光波段 的发射。ZnO 紫外光发射的主要机理是带间跃迁和激子复合。 因其紫外受激发射性质主要应用有 ZnO 基光电探测器,紫外光、蓝光等发光 器件。 光电探测器是一种把光辐射信号转变为电信号的器件,其工作原理是基于 光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。 ZnO 的透明导体特性与应用 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。 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。 具有光学透明特性的宽禁带氧化物半导体材料,一般都是绝缘 体,但 ZnO 既有高透明性又有导电性。因此,ZnO 材料在制备透明导电薄膜,紫 外波段 LED 和 LD 以及能量窗口,液晶显示,太阳电池,气体传感器, 超声振荡器和转换器等光电子器件有不错的应用前景。 ZnO 的其他特性与 应用 除此之外 ZnO 还具有气敏特性 、压敏特性 、P—n 结特性等特性,可以引 用在压电特性 、压电器件 、太阳能电池 、气敏元件 、压敏元件 、声表面波 器件(SAW)等许多领域。 纳米氧化锌的主要性质

表面效应: 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而 急剧增大后所引起的性质上的变化。 这种变化使其表面与内部的晶格振动产生了 显著变化,导致纳米材料具有许多奇特的性能。 体积效应: 当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周 期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔 点等都较普通粒子发生了很大的变化,这就是纳米粒子的体积效应。 纳米氧化 锌在防晒化妆品中的应用 纳米氧化锌具有紫外线屏蔽性、透明性及灭菌性。 当受到紫外线的照射时, 价带上的电子可吸收紫外线而被激发到导带上,同 时产生空穴-电子对, 因此具有吸收紫外线的功能。 纳米 ZnO 比普通 ZnO 对可见 光的吸收弱得多,有很好的透过率,因此具有高度的透明性。 纳米 ZnO 在阳光 尤其在紫外线照射下,在水和空气(氧气)中,能自行分解出自由移动的带负电 的电子(e-),同时留下带正电的空穴(h+)。这种空穴可以激活空气中的氧变 为活性氧,有极强的化学活性,能与多种有机物发生氧化反应(包括细菌内的有 机物),从而把大多数病菌和病毒杀死。 纳米 ZnO 应用于防晒化妆品中,不但使体系拥有收敛性和抗炎性,而且具有 吸收人体皮肤油脂的功效。 纳米氧化锌在纺织中的应用 将金属氧化锌粉末制成纳米级时,由于微粒尺寸与光波相当或更小,尺寸效 应使导带及价带的间隔增加,故光吸收显著增强。在 350~400nm(UVA)时,氧 化锌的遮蔽效率高,同时氧化锌(n=1.9)的折射率小,对光的漫反射率较低, 使得纤维透明度较高且利于纺织品染制。 远红外线反射纤维的材料:这种远红 外线反射功能纤维是通过吸收人体发射出的热量, 并且再向人体辐射一定波长范 围的远红外线,可促进人体血液循环,遮蔽红外线,减少热量损失。光致发光材 料:可利用紫外光、可见光或红外光作为激发光源而诱导其发光。氧化锌在室温 下拥有较强的激发束缚能, 可以在较低激发能量下产生有效率的放光。防紫外线 纤维。 纳米氧化锌在催化剂和光催化剂中的应用 纳米氧化锌具有优异的光催化活性。 当氧化锌纳米粒子受到大于禁带宽度能 量的光子照射后,电子从价带跃迁到导带,产生了电子-空穴对,空穴能使 OH生成氧化性很高的·OH 自由基,可以把许多难降解的有机物氧化成 CO2 和 H2O 等无机物。 纳米氧化锌在电化学中的应用 浅色导电材料 导电氧化锌主要用于涂料、橡胶、纤维材料和陶瓷中作为导 电的白色颜料, 氧化锌的导电性可赋予塑料和聚合物以抗静电性。 纳米氧化锌 在橡胶轮胎中的应用

将纳米氧化锌作为导电的白色颜料填充于橡胶中,可研制出导电性橡胶,用 来制造静电屏蔽橡胶及制品。 目前, 纳米氧化锌的应用研究不如制备技术研究广泛和深入。如何更好地发 挥纳米氧化锌的优异性能, 提高产品的性能价格比,使制造出的产品在国际市场 上具有竞争力都是应用研究努力的方向


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