本文采用化學氣相沉積法(CVD)制備了磷摻雜p型ZnO納米線，并且用掃描電子顯微譜(SEM),拉曼譜(RM)，X光衍射譜(XRD)以及光致發光譜對其性質進行表征；通過“lift-off”法制備了單根磷摻雜ZnO納米線的場效應管，并對其電學性質進行表征，納米線的載流子濃度和遷移率分別為1.51 109cm-1 和0.803 cm2/(VS)。

　　ZnO是一種II-V I族直接寬禁帶化合物半導體材料，室溫下, 其禁帶寬度為Eg=3.37 eV,激子束縛能為60 meV(GaN 21 meV), 激子增益也可以達到320 cm-1。ZnO的這些特殊的光電性質使其成為理想的室溫短波長發光器件材料，有望開發出ZnO基紫外探測器、發光二極管(LED)、半導體激光器(LD)等，可廣泛用于光通信網絡、光電顯示、光電儲存、光電轉化和光電探測等領域。此外，ZnO納米結構種類豐富，制備工藝簡便，因而在納米電子學、納米光電子學以及生物科技方面有很好的應用潛能。目前，一些功能器件，如基于單根納米線的場效應管^[1]、生物探測器以及基于納米陣列的納米激光器已被制備出來。但是，要獲得更多的功能器件，良好的p型ZnO納米線和良好的n型ZnO納米線都是不可或缺的。本征的ZnO納米線由于本征缺陷（氧空位Vo，鋅間隙Zni）的存在，為電子導電，呈n型，良好的n型ZnO晶體比較容易獲得；p型ZnO納米線由于本征缺陷對受主雜質產生高度的自補償作用，難以實現p型轉變，缺乏良好的p型ZnO納米線已成為制約ZnO基納米器件發展的瓶頸。

1.實驗

　　以ZnO粉末和石墨粉末(純度為99. 85 %)混合物作為反應源，以P₂O₅作為磷源，以高純氬作為載氣，在管式爐中進行反應，實驗裝置見圖1。采用p型（100）硅片作為基板，基板充分清洗后使用真空熱蒸發方法在硅片表面鍍一層約10 nm 厚的金膜，鍍膜時真空度為2×10^-3Pa 。將摩爾比為1：3 的ZnO 粉末和石墨粉末的混合物放入一端開口的石英管底部，將基片也放入石英管，與反應源的距離為70mm ，將石英管放置于水平放置的管式電阻爐(SK2–4-10) 的恒溫區，密封端對著進氣口。

圖1 CVD 法制備磷摻雜ZnO 納米線的裝置圖

　　反應時，先將石英管和磷源置于爐口，向電阻爐通80 sccm 流量的高純氬氣60min ，作為保護氣體，接著以25 ℃/ min 的速度將溫度加熱至945 ℃，溫度達到后，將石英管移至電阻爐中央的恒溫區，在945 ℃溫度下保持恒溫30 min進行反應，反應完成后，將石英管拖至爐口，停止反應，使樣品自然冷卻至室溫。取出樣品后發現基片區域有白色絮狀物質產生，即為所得磷摻雜ZnO納米線。

　　反應機制為氣液固(VLS)機制，如下：Au膜受熱形成金液滴，ZnO被石墨還原形成Zn蒸汽，擴散至基板處，與氧源發生反應，在Au液滴的誘導作用下形成ZnO納米線，與此同時，P₂O₅受熱擴散至基板上方，被還原，形成磷蒸汽，隨著ZnO納米線的生長而摻雜進去。

方程式如下：

　　反應源區域： ZnO + C →Zn (g) + CO(g)
　　ZnO + CO(g) →Zn (g) + CO2 (g)

　　基片區域： P₂O₅ + C →P (g) + CO(g)
　　P₂O₅ + Zn →P (g) + ZnO(g)
　　Zn (g) + CO₂ (g) →ZnO + CO(g)

　　(1-x) CO(g) + ZnO →ZnOx + (1-x) CO2 (g) (0<x<1)

　　不加磷源，其它步驟完全相同，可以制備本征ZnO納米。

2、結果與討論：

2.1、SEM形貌表征

圖2 磷摻雜ZnO 納米線的SEM 圖

　　樣品的掃描電子顯微鏡照片如圖2 所示，從中可以看到，制備得到的ZnO 納米線直徑約200-300 nm，長度在10 μm 以上。

2.2、Raman 表征

　　圖3 樣品1 為本征的未經過退火處理的ZnO NWS；2 為P 摻雜的但未退火的ZnONWS；3 為經過退火處理的本征ZnO NWS； 4 為P 摻雜的且經過退火處理的ZnONWS；退火溫度800°C，退火時間5 分鐘，80 sccm 氬氣氛圍下波數在437cm-1 左右的峰為E2（high）聲子振動模[4-5]，比較樣品1 和2 的Raman 圖，可見，樣品1 的E2(high)的峰位為436.64 cm-1，樣品2 的峰位為440.45 cm-1，摻雜后峰位藍移了3.81 cm-1，這是由于磷雜質摻入ZnO NWS，使ZnO 晶格的應力發生變化造成的[5]，且磷原子多以填隙的方式存在于ZnO NWS 中，對晶格產生壓應力，從而使E2（high）峰位藍移。將樣品1 和2 分別退火得到樣品3 和樣品4，由圖中可見，樣品3 和4 的E2（high）峰位分別為436.84 cm-1 和439.86 cm-1，峰位藍移了3.02 cm-1，小于退火前的3.81 cm-1，這說明退火使部分磷原子擴散進入ZnO 晶格，發生替位，從而使部分壓應力得到釋放。

　　波數在576 cm-1 左右的峰是ZnO 的A1(LO)聲子振動模[4-5]，是由氧空位，鋅間隙，雜質等缺陷引起的峰。在本征的ZnO NWS 中看不到這個振動模式，說明這個峰不是由氧空位，鋅間隙等本征缺陷引起的，在退火前的磷摻雜納米線中也看不到這個峰，在退火后，這個峰才出現，這說明退火前，磷雜質是以填隙的方式存在的，尚未發生氧替位，退火過程中，磷原子取代氧原子形成新的化學鍵，從而出現新的振動模式。

　　此外，在P摻雜且退過火的樣品中，在波數為556.53 cm-1 處，還出現了新的峰位，目前尚未發現有關此峰位出現的原因的報道，我們認為這個峰也是由摻雜引起的新的振動模。

　　樣品1，2，3，4 的E2（high）的半高寬分別為15.288 cm^-1、15.602 cm^-1、18.303 cm^-1、19.306 cm^-1，比較樣品1 和2，E2(high)的峰的半高寬由15.288 cm^-1變為15.602cm-1，展寬了0.314 cm^-1;比較樣品3 和4，其E2(high)的峰的半高寬由18.303cm^-1變為19.306 cm^-1，展寬了1.003 cm^-1。這說明磷雜質的摻入是納米線的晶格結構變差，從而使峰的半高寬展寬^[4]。