ZnO基薄膜电导性能的极性分子调制

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氧化锌是一种极富生命力的宽直接带隙半导体材料。由于其所具备的出色的物理属性而受到研究人员的广泛关注,如大的激子束缚能(60meV)可以实现550K的激子发射,这可以在光电领域中制备低阀值的激子激光器;大的压电系数(e33=1.22C/m2)使其可以实现机械及电的耦合而应用于压电器件中。压电的本质在于机械力导致晶格变形产生的电极化。ZnO具有非中心对称的纤维锌矿晶体结构,因此即使在没有外力作用下,本身依然具有沿[0001]方向的自发极化。极化特征对ZnO基材料的性质以及相关器件具有重要的意义。  本研究报告以ZnO晶体本身所具有的极化特征为物理基础,以分子束外延技术制备的富含晶界的ZnO薄膜为研究对象,通过在薄膜表面镀金属铟电极形成欧姆接触构成平面无门极场效应器件,并对器件进行电学性能测试。特别是在门电极处引入极性液体,研究液体分子偶极与晶极场相互作用对器件电导行为的影响,并深入分析讨论了现象背后的基本物理问题。  研究发现,吸咐在C极化取向富含晶界的ZnO或ZnMgO表面的极性分子,可以影响ZnO和ZnMgO/ZnO样品的电导,使样品电导呈现明显的双肖特基电流-电压特性;而极性分子对非极化M取向的样品的导电行为则没有明显影响。这充分说明了电导的影响是极性分子偶极与晶体极化场耦合的结果。另外,采用没有晶界的纯ZnO单晶样品进行同样的测试,发现,即使是C极化取向的样品,极性分子依然不能对其电导行为产生影响,这进一步说明颗粒晶界存在的必要性。因此,这个有趣的现象的本质在于液体分子极化与晶体极化场耦合作用于晶界势垒从而调制ZnO层中的电导行为。  为了深入探索器件的应用,我们引入具有不同偶极矩的极性液体,如乙醇,异丙醇,甲苯等进行同样的电学性能测试。结果发现器件的电导行为与液体极性密切相关:极性越大,对电导的压制越明显。这合乎于极化耦合场调制电导行为的原理。显然,相关器件可以应用于极性分子的检测。基于这种在ZnO体系发现的新现象的传感器件有希望成为一种极性传感器而被应用于化学,生命科学,医学等领域。
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