Ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών διατάξεων βασισμένες σε νανοδομές οξειδίου του ψευδάργυρου

Abstract

The aim of this doctoral dissertation is the development of optoelectonic devices based on nanostructures of ZnO. During the past few years, there has been enormous research interest, due to optoelectronic devices that are functional in the UV range of electromagnetic spectrum. ZnO-based materials find promising optoelectronic applications in the UV light region, due to specific properties such as good transparency, high electron mobility, wide-direct band gap (3.3 eV) and a large exciton binding energy (60 meV) at room temperature. Moreover, they can be fabricated in various one-dimensional (1-D) nanostructures (Ns),such as nanowires (NW’s) and nanorods(NR’s). Due to the fact that the properties of ZnO NS are strongly dependent on the different aspects of its crystal structure such as morphology, orientation and the crystalline size, it is crucial to manage a controllable synthesis, optimizing NS diameter, density, and length, by which we can lead to tailor-made nanorchitectures, with improved characteristics. At first, various sol-gel layers were synthesized in order to investigate the optimal conditions of growth. The seed layers were characterized in respect to their surface morphology and thickness. The growth of ZnO nanorods was performed by the hydrothermal synthesis method. The impact of growth time and concentration of the growth solution on the morphology of the ZnO nanorods was studied. All samples were doped with Li , from group I, due to the benefits of its properties, with the most essential of all, its small ionic radius, approximately equal to Zn. Following the hydrothermal synthesis, crystallogical and structural characterization of ZnO nanorods was performed. As a result of these preliminary experiments, our efforts focused intensely on the development of a prosperous p-n or n-p junction, a profound pillar of solid state optoelectronics. Nanostructured film junctions and nanostructured film-nanorod junctions p-n or n-p type were developed, using coated Si substrates, with Au through sputtering. Structural, morphological and electircal characterization was also performed. The importance of annealing ,as a crucial parameter of device treatment was also investigated. In order to optimize the process flow, a new procedure was established. SiO2 layer was inserted as an insulating layer, and p++ substrates were used as a common contact. Electrical, structural, morphological and optical properties of the new devices, were investigated. By utilizing the experimental results from the aforementioned studies, the experimental parameters were redefined, in order to accomplish, functional devices with optimal performance.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών διατάξεων βασισμένες σε νανοδομές οξειδίου του ψευδαργύρου.Τα τελευταία χρόνια υπήρξε έντονο ερευνητικό ενδιαφερον γύρω από οπτοηλεκτρονικές διατάξεις που μπορούν να λειτουργούν κοντά στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολιας. Υλικά βασισμένα στο ZnO, θεωρούνται πολλά υποσχόμενα για οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας αφενός λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του, όπως ικανοποιητική διαφάνεια, υψηλή ευκινησία ηλεκτρονίων, ευρύ και άμεσο ενεργειακό χάσμα (3.3 eV) καθώς και μεγάλη εξιτονική ενέργεια δέσμευσης (60 meV) σε θερμοκρασία δωματίου, αφετέρου δε πως μπορούν να παραχθούν σε πλειάδα μονοδιάστατων (1-D) νανοδομών, όπως νανοσύρματα (NS’s) και νανοραβδία(NW’s). Ωστόσο το γεγονός πως οι ιδιότητες των ZnO NS είναι ισχυρά εξαρτώμενες από διαφορετικές πτυχές της κρυσταλλικής δομής όπως μορφολογία, διεύθυνση και το μέγεθος του κρυστάλλου, είναι καίριας σημασίας να επιτευχθεί μία απολύτως ελεγχόμενη σύνθεση η οποία με την σειρά της μπορεί να οδηγήσει σε νανοδομές με βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η σύνθεση διαφόρων στρωμάτων πυρήνωσης- γέλης με σκοπό, να μελετηθούν οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξής τους, και μελετήθηκαν διαφορετικές πτυχές της κρυσταλλικής δομής όπως η μορφολογία και το πάχος τους. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η σύνθεση των νανοραβδίων ZnO μέσω υδροθερμικής μεθόδου όπου μελετήθηκε τόσο η εξάρτηση του χρόνου ανάπτυξης καθώς και η επίδραση της συγκέντρωσης των πρόδρομων ουσιών στα δομικά χαρακτηριστικά των νανοραβδίων. Σε κάθε περίπτωση, για την νόθευση p-τύπου επιστρατεύτηκε το άτομο του Li προερχόμενο από την ομάδα Ι, βασιζόμενο στα οφέλη των ιδιοτήτων του, με την σημαντικότερη όλων να εστιάζεται στην μικρή ιοντική του ακτίνα (0,76 A) η οποία είναι περίπου ίση με εκείνη του Zn (0,74A). Ακολούθησε ο κρυσταλλογραφικός και δομικός χαρακτηρισμός των νανοραβδίων. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα των προκαταρκτικών πειραμάτων, οι προσπάθειες μας εστίασαν εντονότερα στην ανάπτυξη επιτυχημένων επαφών p-n ή n-p, σημαντικό πυλώνα οπτοηλεκτρονικών στερεάς κατάστασης. Αναπτύχθηκαν επαφές νανοδομημένων υμενίων, όσο και επαφές μεταξύ νανοραβδίων και νανοδομημένων υμενίων p-n και n-p τύπου, σε υποστρώματα Si, επιστρωμένα με Au μεσω ιοντοβολής. Μελετήθηκαν οι δομικές ,μορφολογικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες καθώς και ο ρόλος της ανόπτησης στην εν γένει συμπεριφορά των διατάξεων. Η συνεχής αναζήτηση για την βελτιστοποίησης των παραμέτρων της διαδικασίας, οδήγησε στον επαναπροσδιορισμό της κατασκευαστικής μεθόδου, με την εισαγωγή μονωτικού υλικού SiO2 για την ελαχιστοποίηση των ρευμάτων διαρροής, όσο και στην επιλογή υποστρώματος (Si αγωγιμότητας p++). Μελετήθηκαν οι ηλεκτρικές, δομικές, μορφολογικές και οπτικές ιδιότητες των διατάξεων που κατασκευάστηκαν. Αξιοποιώντας όλα τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη, επαναπροσδιορίστηκαν όσες παράμετροι επηρεάζουν δυσμενώς την λειτουργικότητα και την απόδοση των διατάξεων.