高度有序的ZnO/Si纳米异质结构阵列

纳米异质结构是指由至少两种不同的半导体纳米材料相互连接所形成的材料系统。相比于单独的某种材料,由于不同半导体材料接触时形成的不同带隙间的界面的作用,材料系统整体有可能拥有更优秀的功能或更高的效率。迄今为止,各种各样的纳米异质结构被设计和合成出来。它们的形貌、晶格、应力和缺陷也得到了深入和广泛的研究。但制备高度有序的纳米异质结构阵列仍然具有很大挑战性。新加坡南洋理工大学黄一中课题组通过无模板聚焦离子束刻蚀法成功制备了高度有序的ZnO/Si纳米异质结构阵列,并进一步对结构和性能进行了测试

首先他们通过磁控溅射在Si基底(P<111>)上沉积一层约50~100 nm的ZnO种子层。然后使用聚焦离子束在Si基底上刻蚀出高度有序的Si纳米圆锥阵列。通过调节离子束的强度、刻蚀时间和间距,使每个Si纳米圆锥的顶端都留有一小块ZnO种子。之后把样品正面朝下浸入HMTA和ZnO(NO3)2的混合溶液,水热反应后ZnO纳米棒从每个Si纳米圆锥的顶端长出来,从而形成了高度有序的ZnO/Si纳米异质结构阵列。TEM和EELS对单个异质结构的观测结果显示:每个单独的异质结构都由ZnO纳米棒和Si纳米圆锥相连接组成;ZnO纳米棒沿<0 0 1>晶向垂直于基底生长;ZnO纳米棒和Si纳米圆锥界面处有一层约3 nm厚的极薄的无定形SiO2层和残留的ZnO种子层。电学性能测试显示这种纳米异质结构阵列具有典型的pn结性质。基于该结构的纳米光开关器件具有重复性好、稳定和响应快的优点。并且经过适当温度的退火处理后,由于重结晶的作用,性能还能进一步提高。

这种方法过程简单易操作,更重要的是可控。通过调节各种参数,包括种子层厚度、离子束强度、刻蚀时间和间距等,可以控制最终得到阵列的间距、异质结构的高宽比以及顶端ZnO纳米棒的形貌,并进一步影响其光电性能。这一点通过不同的形貌的光致发光的测试结果得到了证明。这种方法可以应用于设计和制造高效率的纳米光电器件,另外也可以推广到其它半导体异质结构体系中。