ZnO 物理特性和功能器件测试方案丨第九届全国氧化锌学术会

ZnO 具有优异的紫外发光、激射、光响应等功能特性，是固态光源和电力电 子、微波射频器件的理想材料之一。经过众多科学家的不懈研究，人们对 ZnO 半导体的光、电、磁及压电等特性有了深刻的理解，在紫外发光器件、紫外 激光器件、紫外光电探测器件、压电器件、太阳能电池等领域的研究不断取得重要进展，特别是ZnO基透明导电膜、薄膜晶体管已经在光电子领域大规模工业应用，在环境、生物、医学领域也呈现了巨大的应用前景。

全国氧化锌学术会议是由ZG物理学会发光分会主办的专注 ZnO 科学研究进展交流的全国性重要会议，每两年举办一次。

第九届全国氧化锌学术会议将由东南大学、江苏科技大学联合承办，研究 ZnO 物理特性和功能器件应用方面的关键问题，展示我国 ZnO 研究领域的研究成果，为相关科技工作者提供一个学术和技术交流的平台。卓立汉光致力于为实验室提供一站式光电仪器系统解决方案，应邀参加该展会，此文细说“卓立汉光能够为ZnO 物理特性和功能器件应用提供哪些测试方案”？

会议名称：第九届全国氧化锌学术会议

日期：2019年4月12-14日

地点：江苏省镇江市九华锦江国际大酒店

镇江市润州区南徐大道66号，近九华山路。

测试方案

ZnO微米管的PL光谱测试研究

ZnO是一种两性白色氧化物(俗称锌白)，纤锌矿结构ZnO稳定，因此较为常见。如图1所示，纤锌矿结构的ZnO有ZX对称性但没有轴对称性，在晶体表面因断面而出现悬空键。ZnO晶体表面断面的特性对晶体的整体性质影响微随其尺寸的减小不断增加，甚至完全改变晶体本身原来的属性。因此通过控制氧化锌的结构，如尺寸、形貌或表面晶面取向、表面成分、表面电荷等，可以大幅度地调节或改变氧化锌的性质特性，从而获得应用所需要的发光、荧光增强、铁磁性、催化性能等，其中微米尺寸的ZnO因其在发光、光催化、传感器等领域表现出来的独特性质而备受关注。

图1 ZnO纤锌矿结构

作为第三代半导体材料的典型代表，GaN蓝光材料一直是近年来研究的热点。ZnO和GaN同为稳定的六角纤锌矿结构，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，即使在室温甚至高于室温下也能实现GX的激子发射。因而，ZnO成为制备紫外发光器件(LEDs)、紫外激光器(LDs)等短波长光发射器件的主要候选材料。图2和图3为不同条件下制备的ZnO微米管的PL光谱，测试仪器采用北京卓立汉光自主研发生产的Flex One“微光”系列显微光致发光光谱仪，激发光源选用325nm HeCd激光器。

图2 ZnO微米管不同位置PL的光谱，插图为ZnO微米管断裂处的显微成像

图3 不同尺寸ZnO微米管的PL谱

图2中(a)为ZnO微米管中部的PL光谱，(b)为微米管断口处的PL光谱；图3为不同尺寸微米管的PL光谱(a＜b＜c＜d)。ZnO在紫外区具有优异的发光性能，近带边紫外发光特性的研究一直是人们关注的热点。对于ZnO丰富的近带边发光，人们尚缺乏统一的认识。在380nm左右的紫外发射峰对应于ZnO的带边跃迁的自由激子复合；392nm左右的发射峰属于带间辐射跃迁的结果；450~650nm的可见光区域也有一强度很弱且宽的发射峰，该发射峰对应于ZnO的表面氧缺陷，PL峰强度越强，代表氧缺陷浓度越高[1, 2]。

卓立汉光“Flex One 显微光致发光光谱仪”

PL光谱是一种非破坏性的、高灵敏度的分析方法，是半导体材料研发和生产过程中的一种常规测试手段，可以检测半导体的本征发光，检测半导体材料由于掺杂、生产工艺等条件引起的缺陷发光，探讨半导体形貌和尺寸对其发光特性的影响，为半导体在光子晶体、催化、传感和染料敏化太阳能电池等领域的应用提供理论指导。

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Flex One 显微光致发光光谱仪

光致发光(photoluminescence) 即PL，是用紫外、可见或红外辐射激发发光材料而产生的发光，在半导体材料的发光特性测量应用中通常是用激光（波长如325nm、532nm、785nm 等）激发材料（如GaN、ZnO、GaAs 等）产生荧光，通过对其荧光光谱（即PL 谱）的测量，分析该材料的光学特性，如禁带宽度等。光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、高灵敏度的分析方法，因而在物理学、材料科学、化学及分子生物学等相关领域被广泛应用。     

传统的显微光致发光光谱仪都是采用标准的显微镜与荧光光谱仪的结合，但是传统的显微镜在材料的PL 谱测量中，存在很大的局限性，比如无法灵活的选择实验所需的激光器（特别对于UV 波段的激光器，没有足够适用的配件），无法方便的与超低温制冷机配合使用，采用光纤作为光收集装置时耦合效率太低等等问题，都是采用标准显微镜难以回避的问题。     

北京卓立汉光仪器有限公司结合了公司十余年荧光光谱仪和光谱系统的设计经验和普遍用户的实际需求，推出了“Flex One( 微光）”系列显微光致发光光谱仪，有效的解决了上述问题，是目前市场上具性价比的的显微PL 光谱测量的解决方案。