论文部分内容阅读
本论文以掺杂为主线，制备为基础，物性为重点，器件为目标，系统地研究宽禁带一维半导体纳米材料掺杂制备技术，深入分析掺杂效应引起的光学、磁学特性及其物理机理。在此基础上，对纳米气敏传感器研制和稀磁半导体纳米线输运测量进行一些有益的尝试。主要研究内容包括：
(1)采用气相蒸发法制备β-Ga2O3纳米线、纳米带，SnO2纳米线和锰掺杂Ga2O3纳米线；利用氧化物氨化法制备氮掺杂Ga2O3纳米线，GaN纳米线和GaMnN稀磁半导体纳米线。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、电子能量损失谱(EELS)以及光电子能谱(XPS)等实验手段对制备的样品进行详细的结构表征和成分分析。
(2)系统研究锰掺杂Ga2O3纳米线和GaMnN稀磁半导体纳米线的磁学性质。利用氧化物氨化法制备的GaMnN纳米线具有单一的六角GaN晶体结构，没有磁性杂质相存在。磁性测量表明GaMnN纳米线具有室温铁磁性，居里温度至少高于室温。深入研究GaMnN稀磁半导体纳米线的铁磁机理，利用非简并空穴—杂质带相互作用模型，并考虑Mn离子间的反铁磁超交换作用，进行理论计算，解释实验现象。
(3)利用变温PL谱、荧光时间衰减谱以及微区CL谱测量技术，系统研究氮掺杂Ga2O3纳米线、锰掺杂Ga2O3纳米线和锰掺杂GaN纳米线的光学特性。首次发现氮掺杂Ga2O3纳米线强烈的红光发射特性。深入分析发光机理，基于DAP模型，考虑参加复合发光的载流子的温度猝灭效应，计算氮掺杂Ga2O3纳米线的时间衰减曲线和温度依赖发光谱。理论计算和实验结果符合很好，表明红光发射起源于氧空位引入的施主上的电子和氮掺杂引入的受主上的空穴复合而发光。测量锰掺杂Ga2O3纳米线、锰氮共掺杂Ga2O3纳米线和锰掺杂GaN纳米线的变温PL谱以及单根纳米线CL谱，分析锰掺杂对纳米线光学性质的影响。
(4)利用电子束曝光方法制作微电极，尝试研制β-Ga2O3、SnO2纳米气敏传感器，通过在纳米线中掺入Ag离子降低传感器的工作温度。设计GaMnN稀磁半导体纳米线输运测量实验，研究室温铁磁性GaMnN纳米线的输运性质。需要说明的是，论文中该部分相关内容仅仅是研究纳米气敏传感器和稀磁半导体纳米线输运性质的起步工作，后续工作仍在进行。
本研究主要的创新点为：首次采用氧化物氨化法制备居里温度高于室温的、具有单一六角GaN晶体结构的铁磁性GaMnN稀磁半导体纳米线；基于非简并空穴—杂质带相互作用模型，利用平均场方法，并且考虑Mn离子间的反铁磁超交换作用，计算GaMnN纳米线的磁性，深入研究其铁磁机理；首次发现Ga2O3纳米线中氮掺杂引起的强烈的红光发射特性，基于DAP模型，考虑参加复合发光的载流子温度猝灭效应，计算氮掺杂Ga2O3纳米线的时间衰减曲线和温度依赖发光谱；深入研究氮掺杂Ga2O3纳米线红光发射的发光机理，建立发光模型，解释实验现象。