《一维氧化锌的界面调控及其应用基础研究》

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氧化锌(ZnO)是重要的第三代半导体,一维ZnO形貌丰富、物理性能优异、界面特性独特,在微纳新原理光电和电子学器件中有具有重要的科学研究价值。但制约一维ZnO发展的关键技术瓶颈是如何实现其界面结构与功能的有效调控,而掌握其界面的诱导生长机制、载流子调控规律是推动其发展与应用的核心科学问题。该项目提出了界面诱导控制一维ZnO新结构生长的新思想,建立了界面结构设计调控载流子分离、复合与发射的新机制,发展了构筑一维ZnO新型高性能光电与电子器件的新方法,实现了ZnO电子器件在国防武器装备应用的突破,相关研究推动了第三代半导体材料的发展。主要科学发现为:

1.提出了控制极性界面能量诱导生长纳米结构的学术思想,发展了低温、无催化制备晶体质量优异纳米结构的普适性方法,发现了ZnO纳米四针等新结构,建立了孪晶和位错诱导生长新结构的界面控制生长机制,结束了半个多世纪的四针结构生长机理争论。研制出纳尺度谐振腔四针结构吸波体,通过其特殊界面极化和多重散射效应实现了2-18GHZ电磁波的宽频强吸收,应用于火箭军装备预研。被劳伦斯伯克利国家实验室主任Alivisatos院士等百余个小组在包括Nature Mater.等期刊引用,伦敦纳米技术中心主任Warburton教授等认为该结构“抑制电荷聚集,提高电子提取效率”,“是重要吸波材料”。

2.建立了通过控制pn结和肖特基结界面结构构筑新原理光电器件的新策略,开辟了通过外应变提升光电器件性能的新途径。构筑了界面缺陷密度低的ZnO纳米线阵列pn结发光二极管,解决了界面缺陷制约激子复合的问题,首次实现了稳定髙亮度蓝光发射,论文为ESI前0.1%高引文章,美国标准研究院Nikoobakht教授评价该结构“实现了界面激子离效辐射复合”。首次构筑了一维ZnO基自驱动紫外光探测器,通过应变提升界面势垒高度、加速光生载流子分离,显著提高了器件的光响应度,Nature Rev. Mater综述文章多次引用该成果,并认为足“提升光电器件性能的有效手段”。

3.提出了界面与能带结构设计调控电子发射性能的新思路,建立了通过尺寸和形态控制及元素掺杂提高发射电流强度的新途径,制备了直径2英寸的ZnO阵列场发射冷阴极,揭示了脉冲电场下场致等离子体强流发射机制,首次实现了一维ZnO强流发射,“电流密度达132.4A/cm2,创造了最高发射电流纪录”,解决了传统阴极发射电流低和寿命短等难题。

发表SCI论文165篇,应邀在Adv. Mater.等期刊上撰写综述6篇。8篇代表性论文他引1198次,SCI他引946次。单篇论文最高SCI他引288次,10篇论文为ESI高被引论文,成果被2部英文专著收录。应邀出版中英文专著各1部、撰写英文专著2章,授权专利39项,获全国优博2篇。获教育部和北京市科技一等奖各1项。完成人任国际会议主席16次,作大会特邀报告40余次。

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