基于石墨烯衬底van der Waals薄膜气-液-固外延生长的高质量氧化锌制备

批准号:
61604062
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
19.0 万元
负责人:
陈明明
依托单位:
学科分类:
F0401.半导体材料
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
雍定钰、陈黎辉、汤月明
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中文摘要
常规外延生长模式中由于晶格失配和热失配作用,导致外延薄膜出现应变并因此形成大量缺陷,严重制约半导体掺杂技术和光电器件性能的提升。本项目提出采用新型van der Waals外延生长模式(范式生长)制备高质量ZnO薄膜。范式生长中ZnO与衬底界面处只存在范德瓦耳斯力作用,这种弱作用力不会造成薄膜内出现由失配引起的应变,有效减少缺陷的形成。我们选择石墨烯作为衬底材料,采用薄膜气-液-固生长方法克服石墨烯材料在氧气气氛下易被破坏难题,并通过预沉积覆盖层保证ZnO以二维薄膜形态生长。本项目将结合第一性原理计算,探索ZnO薄膜材料在石墨烯表面的成核机理和成膜机制,弄清ZnO薄膜生长的动力学过程,并在此基础上优化生长工艺参数,制备出高质量无应变、低缺陷密度的ZnO单晶薄膜。研究结果将为解决p型ZnO材料难题、提升光电器件工作性能提供前提条件,同时为发展石墨烯基柔性微电子、光电子器件技术打下坚实的基础。
英文摘要
Due to the lattice mismatch and difference of coefficient of thermal expansion between epilayer and substrate, the epitaxial films suffered from strains, resulting in the formation of high concentration of defects, which greatly hindered the development of semiconductor doping and the improvement of devices performance. In this research project, van der Waals epitaxy was proposed to grow high-quality defect-free ZnO films. It was found that only a weak van der Waals interaction exists at the ZnO/substrate interface that cannot cause the mismatch-induced strain in the van der Waals epitaxy, which helped lower the formation of dislocations and point defects in the ZnO epilayers. Owing to its superior properties, graphene was used as substrate in the experimental. Before growth, zinc and polycrystalline layers were pre-deposited in sequence to prevent graphene layer being destroyed by oxygen and to facilitate two dimensional growth. This research project will explore the mechanism of the initial nucleation and the film formation, and the growth kinetics with the assistance of first principle calculations. Our goal is to obtain high-quality strain-free ZnO epilayers with ultralow concentration of dislocations and point defects. With these solid cornerstones, stable and reproducible p-type ZnO materials, and furthermore, development of flexible graphene-based semiconductor microelectronic and optoelectronic devices, will have more chance.
常规外延生长模式中由于晶格失配和热失配作用,导致外延薄膜出现应变并因此形成大量缺陷,严重制约半导体掺杂技术和光电器件性能的提升。本项目提出采用新型van der Waals外延生长模式,利用石墨烯材独特的表面性质,避免和消除外延生长这ZnO/石墨烯界面的热应力,制备高质量ZnO薄膜。本项目研究内容包括探索ZnO薄膜材料在石墨烯表面的成核机理和成膜机制,弄清ZnO薄膜生长的动力学过程,在此基础上优化生长工艺参数,制备出高质量无应变、低缺陷密度的ZnO材料。研究发现,在石墨烯表面形成较强的C-O键及O在石墨烯表面可以进行无势垒的迁移,是ZnO成核的基础。同时,研究还发现在石墨烯表面形成的C-O-Zn结构可以转换为热力学更加稳定的graphene/ZnO结构,是形成范德瓦尔斯外延生长获得高质量ZnO的前提。利用CVD方法,获得了高质量的ZnO微米线阵列。本项目研究成果为发展高质量半导体薄膜材料的外延生长提供借鉴,为发展石墨烯基微电子、柔性光电子器件技术打下坚实的基础。在本项目的资助下,项目负责人及成员还开展了钙钛矿材料微纳激光器件、氮掺杂石墨烯材料等制备及应用等方面的研究工作。在本项目的资助下,发表SCI学术论文6篇。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Fluorination of graphene oxide at ambient conditions
氧化石墨烯在环境条件下的氟化
DOI:10.1016/j.diamond.2018.11.010
发表时间:2019
期刊:Diamond and Related Materials
影响因子:4.1
作者:Yuan Liu;Jia-Ni Chen;Xiang Li;Yu-Ting Shi;Ming-Ming Chen;Dawei Cao
通讯作者:Dawei Cao
The naked-eye NH3 sensor based on fluorinated graphene
基于氟化石墨烯的裸眼NH3传感器
DOI:10.1016/j.snb.2018.11.018
发表时间:--
期刊:Sensors and Actuators B: Chemical
影响因子:--
作者:Yuan Liu;Tian-Tian Shi;Tao Chen;Wei-Jia He;Ming-Ming Chen;Dawei Cao
通讯作者:Dawei Cao
Mutual modulation of F-distribution and N-configuration in F and N dual-functionalized graphene
F、N双功能化石墨烯中F分布和N构型的相互调节
DOI:10.1016/j.apsusc.2018.09.245
发表时间:--
期刊:Applied Surface Science
影响因子:6.7
作者:Liu Yuan;Shen Peng;Feng Lai-he;Wu Yan;Chen Ming-ming;Sun Yuan-yuan;Feng Qian;Cao Dawei
通讯作者:Cao Dawei
Enhanced photoelectrochemical performance of LaFeO(3) photocathode with Au buffer layer.
Au缓冲层增强LaFeO3光阴极的光电化学性能
DOI:10.1039/c9ra05521e
发表时间:2019-08-23
期刊:RSC ADVANCES
影响因子:3.9
作者:Wang, Peipei;He, Yanfang;Mi, Yan;Zhu, Jianfei;Zhang, Faling;Liu, Yuan;Yang, Ying;Chen, Mingming;Cao, Dawei
通讯作者:Cao, Dawei
Synergistical Dual Strategies Based on in Situ-Converted Heterojunction and Reduction-Induced Surface Oxygen Vacancy for Enhanced Photoelectrochemical Performance of TiO2
基于原位转换异质结和还原诱导表面氧空位的协同双重策略增强 TiO2 的光电化学性能
DOI:10.1021/acsami.9b12537
发表时间:2019-10-09
期刊:ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
影响因子:9.5
作者:He, Yanfang;Wang, Peipei;Yan, Xiaohong
通讯作者:Yan, Xiaohong
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