Sn掺杂ZnO纳米结构材料的研究进展

通过上述分析，可以发现ZnO或掺杂ZnO纳米结构无论在结构上还是在性能上都是纳米结构家族中很有应用前景的一种半导体功能材料，这些研究不仅丰富了科学研究，而且也加速了纳米材料的应用和开发。利用纳米结构优于体材料的物理化学性能，可以制备出性能优异的纳米基器件。到目前为止，虽然已经有了较多关于一维ZnO纳米结构及性质的报道，但是人们对它的生长形貌和各种性质的控制手段还处于发展阶段，对一些现象也仅是猜测，很需要理论上的支持，所以难以给出定论。例如，公认一维ZnO纳米材料的紫外发光是由自由激子发射引起的，但是对可见光发射的来源却很难定论。已经有很多不同形貌的一维ZnO纳米结构被合成，但是怎样能够使制备过程更简单、更容易控制，实现大规模的生产以及进行有目的性质改良，并且最终实现产业化都是人们所期待的。作为改性手段之一的掺杂，也面临很多问题，比如如何实现有效掺杂和浓度可控，如何确定杂质在禁带中引入的能级位置，掺杂会对纳米结构的生长产生怎样的影响等。所以，一维ZnO纳米结构的生长动力学及其掺杂特性、微观机理的研究及其在器件方面的应用在国际领域仍是研究的热点和难点。

通常对ZnO纳米材料的物理性质进行改善和调整的手段有两种：一是控制纳米材料的尺寸和结构，可以采取选择不同的衬底或同一衬底的不同取向，控制动力学因素（温度、压强和载气流量）的方法达到目的；二是进行有效的掺杂，通过掺杂可以实现对ZnO纳米材料的光学、电学和磁学性能产生显著影响，比如，目前的ZnO基稀磁半导体材料就是研究的热点之一。与其他半导体材料相比，ZnO本身是过渡金属氧化物，容易掺杂过渡元素和稀土元素等磁性离子，等价替代使磁性离子在ZnO中的溶解度很高，同时ZnO具有前面提及的多种优异的特性，使ZnO在稀磁半导体研究方面有很强的优势。特别是在2000年，由Dietl等人依据Zener exchange（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-like）的理论预测^[1]Mn掺杂的p型ZnO可以形成居里温度（T_c）高于室温的稀磁半导体后，各研究组在ZnO稀磁性半导体的研究上更是如火如荼地展开。此外，通过掺杂可以控制ZnO材料的导电类型。p型ZnO的有效掺杂问题已经成为ZnO基光电器件的瓶颈，是当前研究的热点和难点。虽然2006年，美国Moxtronics公司利用BeZnO:As作为p型垒层材料，制备了激光二极管，实现了电泵浦的激光发射，但是Be是剧毒材料，大大限制了它在实际中的应用。因此还需进一步深入研究p型有效掺杂问题，最终实现ZnO的pn结电注入高效紫外发光与激光。最后，通过掺杂可实现能带工程。比如在ZnO中掺Mg理论上可在3.7～7.7 eV调节带隙。在众多n型掺杂元素中，Sn有其独特的优点：①Sn作为IV族元素，是n型掺杂的有效元素，通过Sn替代Zn的位置，在带隙中引入有效施主能级，对于提高载流子浓度和减少电阻率是有贡献的。据报道，Sn掺杂的氧化锌薄膜可观察到一个蓝光发射。可以期待Sn掺杂会对ZnO纳米材料光、电学性质产生显著的影响。②Sn(0.071 nm)和Zn(0.074 nm)的离子半径几乎相等，所以可期待提高固溶度。(www.xing528.com)