无机半导体纳米材料的一维结构化设计与应用

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：无机半导体是最常用于一维纳米结构材料制备的一类材料。另外，在半导体材料中掺入少量杂质可以有效控制其电导率。随着现代微电子技术的快速发展，各种光电子器件的微型化对无机半导体材料提出了纳米化的要求，以研究一维纳米材料为主要内容的纳米材料科学，已成为当今最活跃的学科之一。下面以几种典型的无机半导体材料为例来介绍这类材料在一维纳米材料中的典型应用。图1.5具有超支结构的PbS和PbSe纳米线

无机半导体是最常用于一维纳米结构材料制备的一类材料。无机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路的电子材料，其电阻率一般为10-9～ 10-3Ω/cm。无机半导体材料通常分为元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体和缺陷半导体几大类。半导体材料的电学性质的变化对光、热、磁等外界因素的改变十分敏感。另外，在半导体材料中掺入少量杂质可以有效控制其电导率。科研人员正是利用半导体材料的这些性质才制造出功能多样的半导体器件的。半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有重要的影响。

可以把无机半导体材料按化学成分不同分为以下两类：（i）元素半导体，锗和硅是最常用的元素半导体；（ii）化合物半导体及固溶体半导体，化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物［砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等］、Ⅱ-Ⅵ族化合物［硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）等］、氧化物［二氧化锰（MnO2）、四氧化三铁（Fe3O4）、氧化亚铜（Cu2O）等］，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。另外，也可以按产生年代进行分类：第一代半导体材料是以锗（Ge）、硅（Si）为代表的元素半导体材料；第二代半导体材料是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、硫化镉（CdS）为代表的化合物半导体材料；第三代半导体材料是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的化合物半导体材料。

随着现代微电子技术的快速发展，各种光电子器件的微型化对无机半导体材料提出了纳米化的要求，以研究一维纳米材料为主要内容的纳米材料科学，已成为当今最活跃的学科之一。其中，金属硫化物半导体纳米材料由于其优异的光电性质被广泛地研究和应用，而半导体纳米材料的光电性质又强烈地依赖其尺寸、形貌和化学组分的变化，因此，合理设计、可控合成具有特殊光学、电学和磁学性质的金属硫化物半导体纳米材料已成为纳米光电器件、生物医学等前沿领域的研究热点。下面以几种典型的无机半导体材料为例来介绍这类材料在一维纳米材料中的典型应用。

硫化镉（CdS）是一种非常重要的无机光电半导体材料，在光、电、催化等方面有着非常重要的应用，属于典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体。由于其在可见光下具有较好的光电转化性能，在传感器、发光二极管、光催化等领域都有很大的应用价值。CdS纳米材料的合成与研究相对较多。一般而言，CdS纳米线采用电化学方法结合多孔氧化铝模板的使用来制备。此外，还可以通过气相反应法、液相反应法、水溶液化学法等多种方法得到一维CdS的纳米结构。

此外，硫化铅（PbS）具有立方岩盐结构，也是一种性能优良的无机半导体材料，具有窄带隙（0.41 eV）的同时也具有较大的波尔激子半径（18 nm）。最重要的是，研究表明，通过不同的制备方法，PbS可以得到多变可控的纳米结构，因此在众多领域（如发光二极管、红外探测器、显示装置以及太阳能电池材料方面）具有很广阔的应用前景。此外，形状多变的PbS纳米结构可以直接而方便地应用于不同纳米器件。Ge等获得了具有超支形态的硫化铅（PbS）纳米线，并对其拉曼散射行为进行了详细研究。其190 cm-1处的特征——拉曼峰可以用来作为PbS纳米材料研究的一个独特探测器。

Bierman等报告了使用化学气相沉积法（CVD）合成超支硫化铅和硒化铅单晶纳米线的方法。PbS纳米线的次级结构垂直于一级结构纳米线之上得到一个复杂的纳米线网络结构。具有超支结构的PbS和PbSe纳米线如图1.5所示。控制H2与Ar载气的流量和时间可以有效改变PbS纳米线的结构。同样，PbS纳米线的拉曼光谱也被详细研究。具有超支特殊结构的PbS和PbSe纳米晶体在太阳能电池中有良好的应用价值。

图1.5　具有超支结构的PbS和PbSe纳米线

无机半导体纳米材料的一维结构化设计与应用

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