In摻雜ZnO超晶格納米材料的光學(xué)性質(zhì).pdf

1、具有超晶格結(jié)構(gòu)的InMO3(ZnO)m（M=In，Ga和Al等）同系化合物，由于具有優(yōu)良的光電性能，一直受到人們的關(guān)注.近年來，大量的InMO3(ZnO)m準(zhǔn)一維超晶格納米結(jié)構(gòu)被成功制備.然而已有的工作主要集中在此類化合物的制備和結(jié)構(gòu)表征上，對(duì)該同系物超晶格納米結(jié)構(gòu)的物性研究特別是光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)研究還很缺乏.對(duì)其物性深入研究將是下一步InMO3(ZnO)m同系超晶格納米結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn).本論文研究工作以In2O3(ZnO)m納米結(jié)構(gòu)為

2、主要研究對(duì)象，從In2O3(ZnO)m超晶格納米帶的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)到In2O3(ZnO)m超晶格納米棒的缺陷發(fā)光性質(zhì)開展了一系列工作.論文包括五部分內(nèi)容:第一章為緒論部分，介紹了準(zhǔn)一維納米材料的制備方法、光學(xué)性質(zhì)和當(dāng)前應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn);第二章介紹了In2O3(ZnO)m平面向超晶格納米帶的光致發(fā)光性質(zhì)及其電學(xué)性質(zhì).第三章介紹了In2O3(ZnO)m超晶格納米棒的制備和缺陷性質(zhì).第四章分兩個(gè)小節(jié)分別介紹了ZnO納米帶-In2O3納米顆粒復(fù)合

3、結(jié)構(gòu)和In摻雜層狀ZnO超晶格納米棒的制備和物性的初步研究.具體來說包括以下幾個(gè)方面:
　　1.利用化學(xué)氣相傳輸法制備了小m值(m=3，5)的In2O3(ZnO)m平面向超晶格納米帶.這種小m值納米帶的低溫PL譜只顯示一個(gè)很強(qiáng)的非對(duì)稱寬激子發(fā)射峰，同時(shí)首次觀察到該激子發(fā)射峰相對(duì)于純ZnO納米帶存在14meV的輕微藍(lán)移.我們發(fā)現(xiàn)小m值時(shí)，納米帶的超晶格層-In/Zn-O層厚度略小于ZnO的激子波爾半徑，由此帶來較強(qiáng)的量子限域效應(yīng)，超

4、過了In重?fù)诫s導(dǎo)致的紅移效應(yīng)，最終導(dǎo)致激子峰藍(lán)移.隨后我們研究了這種納米帶的變溫發(fā)光性質(zhì)，得到了束縛到In施主的束縛激子(D0X→In)的激活能大約在18.3-25.7meV范圍，并通過帶隙收縮經(jīng)驗(yàn)公式得到相應(yīng)的參數(shù)E0=3.370-3.373eV，α=1.0-1.2meV/K和β=500-520K.同時(shí)我們也分析和解釋了低溫到高溫激子峰的展寬機(jī)制，發(fā)現(xiàn)低溫下超晶格結(jié)構(gòu)引起的勢(shì)阱、勢(shì)壘起伏導(dǎo)致的非均勻展寬占主導(dǎo)，高溫下為溫度相關(guān)的均勻展

5、寬占主導(dǎo).室溫下的PL譜表明In2O3(ZnO)m納米帶的可見光區(qū)域發(fā)光峰被明顯抑制，可能和In重?fù)诫s形成的中性深能級(jí)復(fù)合缺陷有關(guān).最后我們初步研究了其室溫下的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)歐姆接觸的I-V曲線隨著偏置電壓增加，在3.7eV左右開始出現(xiàn)了從線性到非線性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，并測(cè)得這種超晶格納米帶的電阻率(ρ)約為3.0Ω·cm，優(yōu)于已報(bào)道的In摻雜ZnO納米帶.
　　2.利用化學(xué)氣相傳輸?shù)姆椒ê铣闪薎n摻雜In2O3(ZnO)m(m=1

6、7，19)超晶格納米棒.通過XRD、Raman、TEM、EDS確認(rèn)了產(chǎn)物為沿著納米棒生長(zhǎng)方向(c軸）分層堆垛的超晶格納米棒.研究了納米棒低溫下的變溫PL發(fā)光，觀察到一個(gè)3.325eV的未知峰A，可能和類受主型的缺陷有關(guān).室溫下分別在H2氣和空氣下對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，發(fā)現(xiàn)樣品的深能級(jí)缺陷發(fā)光同VZn或VZn相關(guān)的復(fù)合缺陷（用VZn-R表示）、Oi相關(guān)的復(fù)合缺陷(Oi-R)關(guān)聯(lián).用XPS進(jìn)一步分析也證明納米棒內(nèi)部處于氧過量狀態(tài)，說明樣品存在

7、較多的VZn/VZn-R缺陷，還存在Oi/Oi-R缺陷.我們用電子順磁共振技術(shù)測(cè)試了樣品，發(fā)現(xiàn)g～1.96處存在兩個(gè)信號(hào)，1.9524和1.9443，分別來自于AZn-和InZn0缺陷.同時(shí)測(cè)量了樣品在H2氣和空氣下退火后的EPR變化，聯(lián)合PL和EPR的退火變化關(guān)系可以推斷樣品的深能級(jí)發(fā)光主要來源于VZn-或者VZn-R，而Oi相關(guān)的缺陷發(fā)光出現(xiàn)在更低能紅光區(qū)域.值得注意的是用氙燈產(chǎn)生的白光照射樣品后，g～1.96信號(hào)逐漸減弱，撤去光照

8、后又逐漸恢復(fù)，具有很好的重復(fù)性，說明樣品初始狀態(tài)（無光照）下VZn和InZn缺陷主要以順磁中心價(jià)態(tài)存在，而VZn-相關(guān)的缺陷可能是具有順磁態(tài)的復(fù)合缺陷(InZn+-VZn-)0.通過二價(jià)態(tài)躍遷模型進(jìn)一步討論了缺陷的光致電離動(dòng)力學(xué)過程.另外超晶格納米棒在室溫下表現(xiàn)出明顯的鐵磁性，可能來源于自補(bǔ)償效應(yīng)產(chǎn)生大量的VZn.
　　3.(1)利用化學(xué)氣相傳輸方法，1480℃下蒸發(fā)ZnO和In2O3混合物粉末首次成功制備出ZnO納米帶-In2O

9、3八面體顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu).這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的主體部分為ZnO納米帶，而納米帶的頭部則附著一顆In2O3八面體納米顆粒.我們根據(jù)已有的文獻(xiàn)報(bào)道提出了這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制，其中In2O3八面體納米顆粒在生長(zhǎng)過程中起到自催化的作用.另外通過PL發(fā)光揭示In2O3顆粒還能使得納米帶的表面部分鈍化，從而導(dǎo)致近帶邊發(fā)射增強(qiáng)，深能級(jí)發(fā)射減弱.最后聯(lián)合EPR結(jié)果，初步確認(rèn)PL譜中的深能級(jí)發(fā)光可能來自于氧空位.(2)通過改變In摻人量，用氣相法制備了In摻雜