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非极性半极性ZnO基薄膜和结构的制备及其性能研究
介绍
ZnO作为一种重要的II-IV族半导体材料，其在电子学、光电子学、光催化及机电一体化等领域都有着广泛的应用。然而，由于ZnO的晶格结构是六方密堆积，其表面能较高，且表面极性强，易发生极性生长，使得制备高质量的非极性或半极性ZnO薄膜和结构是一项具有挑战性的工作。本文将介绍几种制备非极性或半极性ZnO薄膜和结构的方法及其性能研究的进展。
I.非极性ZnO的制备
1.气相沉积法
气相沉积法是一种在高温下利用气体化学反应制备薄膜材料的方法。根据反应条件的不同，气相沉积法可分为热解沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等几类方式。前两类沉积方式主要控制非极性ZnO材料的取向，后一类沉积方式则偏重控制非极性ZnO材料的晶型。
以CVD方法为例，Zhang等人[1]采用等离子体的CVD方法，在氩气气氛下生长ZnO晶体。通过优化生长条件，获得了具有高度的非极性ZnO薄膜。他们的研究结果表明，该方法的制备温度和ZnO生长速率、厚度和晶体质量等方面，都有非常大的影响。通过调整生长温度，可以优化ZnO薄膜的非极性程度、生长速率以及晶体质量等重要性能，进而实现ZnO薄膜的高质量制备。
2.水热法
水热法是将Zn(NO3)2或Zn(OH)2等离子溶解在水中，通过控制反应温度和时间发生水热反应，生长较为均匀的非极性ZnO晶体。通过调整反应条件，可以控制水热晶体的晶体结构、晶型和晶粒大小。
Wang等人[2]利用水热法生长了大规模的ZnO柱状晶体阵列。结果表明，水热反应的温度和时间对生长的柱状ZnO晶体结构和形貌均有显著影响。调节反应温度和时间，可以控制ZnO柱状晶体的大小、形状和取向，从而获得高度非极性的ZnO晶体阵列。
II.半极性ZnO的制备
1.气相沉积法
通过气相沉积法生长半极性ZnO薄膜的关键在于控制生长方向，使得ZnO薄膜在垂直晶面和斜向晶面的取向上得到类似的增长。此外，在沉积过程中添加适当的外加性杂质也可以有效控制ZnO薄膜的生长方式和性质。
Chang等人[3]采用了基于化学气相沉积（MOCVD）的方法，通过控制衬底温度和气相化学反应条件，获得了具有半极性表面取向的ZnO薄膜。他们的研究显示，选择合适的衬底材料和基底取向，控制生长参数和添加外加性元素等方法，可以显著控制ZnO薄膜的生长方向以及晶体结构和性质，从而获得理想的半极性ZnO薄膜与结构。
2.离子注入法
离子注入法是一种将外加外源材料中的离子注入到干净的ZnO单晶或多晶衬底中，从而改变ZnO晶体结构、取向和表面能等性质的方法。通过注入过量的杂质离子，可以有效地产生一定程度的半极性ZnO材料。
Ma等人[4]采用离子注入法制备了半极性ZnO单晶薄膜，通过选择合适的杂质离子和注入条件，获得了半极性ZnO单晶片。通过研究其表面能和物理性质，显示了通过离子注入可实现非极性和半极性的ZnO晶体材料。
结论
综上所述，制备高质量的非极性或半极性ZnO薄膜和结构对于其广泛的应用至关重要。在气相沉积、水热法和离子注入法等方法中，分别可以通过控制生长方式、控制外源杂质注入或控制反应条件等途径实现对非极性或半极性ZnO材料的生长和优化。未来的研究可以进一步注重对各种材料生长方式和表面能等性质的研究，以实现更好的物理性质和性能的优化。