搜索
新型半导体材料110202班学号：【摘要】半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。本文系统地阐述了金属氧化物半导体纳米晶、正交相BaSi2半导体材料的制备方法及其性能研究。并简要介绍了宽带隙半导体材料、纳米新型半导体材料的基本情况。一、金属氧化物半导体纳米晶金属氧化物半导体纳米晶具有很大的比表面积，并且随着粒径的下降，表面原子数、表面能和表面张力急剧增加，由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，表现出常规材料所不具备的新颖的物理、化学和生物学特性，在太阳能转换、电池、催化、陶瓷、传感等领域具有良好的性能及应用，从而受到广泛的研究。1、制备方法近年来，随着研究的不断深入，人们发展了气相法如气相反应法、气相凝聚法、气相沉积法等，及液相法如共沉淀法、溶胶一凝胶法、反胶束法、水热法、溶剂热法等制备半导体氧化物纳米晶。气相法主要用于制备粉状、块状和纤维状材料，通常需要高温加热、激光诱导、等离子反应、火焰燃烧等特殊条件。溶剂热法及水热法是目前制备具有高分散性纳米材料的液相法。溶剂热法是指在密封的压力容器中，采用一定的溶剂为反应介质，在高温、高压反应环境下进行的化学反应。由于反应溶液上下部存在一定温差，当下部温度较高的饱和溶液由于对流作用被带到溶液上部时，会因温度迅速降低形成过饱和溶液而析出，从而形成结构基元，进而成核结晶。当反应体系为水相时，即为水热反应。水热和溶剂热合成法的优点在于合成温度相对较低(250℃)，而且可以直接生成氧化物纳米晶，避免了其它液相法需要煅烧处理的过程，尽量减少了硬团聚的形成，制得的氧化物纳米晶晶粒较小、纯度高、结晶度高、分散性好，生产成本低。金属氧化物纳米晶的表面形貌对其性能有显著的影响采用表面活性剂等有机添加剂可以有效地控制金属氧化物纳米晶的形貌，但是残留的有机物较难去除，而高温煅烧会造成晶粒的生长和晶粒之间的硬团聚，造成单分散性的下降以及形貌的改变，进而影响其性质和应用。除有机添加剂外，在水热体系中添加某些无机盐可以增大溶质的溶解度和加快生长基元向生长界面的输运，从而影响纳米晶的生长。2、纳米晶晶型的调控金属氧化物通常具有多种晶型结构，晶型结构决定了其性质的差异，因此实现纳米晶晶型的调控具有重要的意义。在水热法合成ZrO：纳米晶的过程中，可以通过调节体系的pH值来调节单斜相和四方相的比率，得到单斜和四方相不同程度混合的Zr02纳米晶。在合成纯四方相Zr02纳米晶方面，有一种通过溶剂热反应合成四方相氧化锆的简便方法，以水和无水甲醇为溶剂，具有四方结构的锆沉淀物前驱体由于在不同溶剂中的溶解性的差异，在甲醇中不易发生熟化过程而造成四方对称性结构向热力学上更稳定的单斜对称性结构的转变，而使其四方结构得以保留。3、性能金属氧化物纳米晶的性质与应用取决于其晶型、形貌、尺寸等结构特征。水热法和溶剂热法具有直接生成纳米晶而不需要高温煅烧的特点，是制备高分散金属氧化物纳米晶的有效方法。通过控制反应条件如时间、温度、pH值、添加表面活性剂、引入一定的离子等方法可以实现对晶型、形貌、尺寸、晶面等参数的精细调控，但是也存在诸如表面活性剂等添加剂难以去除、某些结构控制剂(如氢氟酸)具有强腐蚀性和毒性等问题。因此仍需要进一步深入研究纳米晶的生长机理并开发出绿色、高选择性的制备方法，实现具有特定结构、单分散金属氧化物纳米晶的环境友好、低成本的工业化制备，充分发挥其在环境、能源等领域的应用价值。二、正交相BaSi2环境半导体材料正交相BaSi2作为一种新型的环境半导体材料在这方面极有应用潜力。在光电转换方面，由于正交相BaSi2的光学吸收系数比硅的大2个数量级，正交相BaSi2的能带带隙值接近匹配太阳谱所需的理想值1．4eV，是一种很有潜力的太阳能电池材料。在热电转换方面，一些金属碱化物由于环境友好和热电转换效率高而得到广泛研究，正交相BaSi2因具有低的热传导系数而被认为是一种很有潜力的热电材料。1、制备方法目前发展起来的制备正交相BaSi2的技术主要有采用分子束外延法制备正交相BaSi2薄膜和采用垂直布里奇曼法制备正交相BaSi2块体。也可用离子注入法制得BaSi2薄膜。采用分子束外法制备正交相BaSi2薄膜，主要特点是使用模板层控制其生长取向，制备出高质量单晶薄膜。制备条件主要有标准克努森池的离子泵式MBE系统、反射高能电子衍射谱仪和其它原材料。先在衬底温度为500℃的Si(111)基片上以1．0nm／min的速率沉积纯净的Ba，通过反应沉积外延形成20nm的BaSi2外延层，作为进一步生长BaSi2的模板，用以控制BaSi2覆盖层的晶向。然后将Ba和Si分别以2．0nm／min和1．2nm／min的速度混合沉积在BaSi2模板上，当温度控制在600℃时可以制备出质量很好的单晶薄膜。类似的方法可以生长出BaSi2／CoSi2。异质结。分子束外延法是生长正交相BaSi2薄膜的有效方法。也可以采用铝诱导结晶的方法在Si02基片上生长(111)取向的Si层，然后再使用分子束外延法生长正交相BaSi2来研究它在光电转换方面的应用。近年来，采用垂直布里奇曼法制备出了正交相BaSi2块体材料。其制备过程为：(1)坩埚选取。通过多次实验摸索，最终确定Al坩埚性能最好。(2)装样。将Ba和Si分别以物质的量比36：64和30：70混合后放入坩埚，然后装入小的玻璃容器。(3)加压。在氩气与氢气的混合气氛中加压至0．8MPa。(4)升温熔融。通过电炉将容器加热至混合物熔点之上20～50K。(5)降温冷凝。移动火炉，火炉的轴向温度近似为线性的梯度变化，在1473K的固液分界点下以40K／cm、5～10K／h的速度进行分区冷凝，便形成正交相BaSi2。最后切割打磨，制成正交相BaSi2晶片。垂直布里奇曼法是通过熔体生长晶体的一种常用方法，它能有效克服材料对容器壁的粘附和腐蚀作用，但目前制备出的只是多晶块体材料。2、性能BaSi2的电阻率随其结构不同有很大差异，使用四探针法对不同结构BaSi2的电阻率进行研究表明三角相BaSi2显示超导特性，正交相BaSi2是电阻率很高的n型半导体，电阻率高，载流子浓度就小，制约了它的实际应用。通过掺Ga和In可以提高载流子浓度，使正交相BaSi2的电阻率减小，然而载流子浓度控制得并不理想。较小的载流子密度，既可能是正交相BaSi2激发产生的，也可能是杂质或缺陷所贡献的，在实际应用中必须改善正交相BaSi2的载流子密度。三、宽带隙半导体材料氮化镓、碳化硅和氧化锌等都是宽带隙半导体材料，因为它的禁带宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化硅可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要应用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化硅的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽带隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。四、低维半导体材料低维半导体材料即纳米材料，从本质上看，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物传感器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和应用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。结语半导体电学性质是半导体物理性质中最重要的方面之一，它主要研究在电场下载流子的输运过程。通过对诸如电容、电导、迁移率、载流子浓度等电学参数的研究，我们可以发现其电学输运的行为规律，从而得出关于半导体材料结构方面的重要信息。近年来，由于材料生长技术的改进，人们研制了半导体量子阱、超晶格、量子线、量子点等许多低维量子系统，这使得电学性质的研究显得更为重要。通过电学实验，可以发现许多全新的量子现象，从而不断有新的理论产生，最终研制出许多基于新原理的新器件。