新型氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構(gòu)的合成生長(zhǎng)機(jī)理和光學(xué)性能研究.pdf

1、氧化鋅在半導(dǎo)體家族中是一種十分重要的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶直接帶隙材料，它的禁帶寬度可達(dá)3.37eV，有著很大的激子結(jié)合能，可達(dá)到60meV，納米氧化鋅同時(shí)具有納米材料和半導(dǎo)體材料兩大優(yōu)異性質(zhì)，特別是納米氧化鋅以其特有的發(fā)光特性受到了眾多研究者的關(guān)注，氧化鋅納米結(jié)構(gòu)在電子、光子、傳感和光電納米器件上有很大的應(yīng)用潛力。因此，對(duì)新型氧化鋅納米結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì)的研究具有重要意義。
　　熱蒸發(fā)合成方法以其方法簡(jiǎn)單、合成的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)晶體性好而被

2、廣泛使用。本文采用熱蒸發(fā)沉積法通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)溫度、壓力、載氣氣流等參數(shù)的優(yōu)化控制，利用金納米顆粒作為催化劑分別在9000C和9500C合成了納米梳和納米旗兩種新型氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，并針對(duì)不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)特性以及其所呈現(xiàn)的不同光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。
　　利用 SEM、TEM、EDX和 X射線透射顯微技術(shù)表征兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的形貌和成分，氧化鋅納米梳的外形結(jié)構(gòu)類(lèi)似一個(gè)三角梳包括梳背和梳齒兩部分，納米旗由旗桿和四方形旗片兩部分組成

3、。金納米顆粒位于氧化鋅納米梳梳柄頂部和納米旗旗桿頂部，說(shuō)明這兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)都遵循VLS生長(zhǎng)機(jī)理。利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)做了詳細(xì)分析，從TEM選區(qū)電子衍射得出兩種不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)都是單晶，且都屬于六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在金催化劑的引導(dǎo)下氧化鋅納米梳的梳柄生長(zhǎng)方向是[011]，梳齒的生長(zhǎng)方向是[0001]，金催化劑引導(dǎo)氧化鋅納米旗的旗桿生長(zhǎng)方向是[010]，旗片的生長(zhǎng)方向也是[0001]。在

4、高分辨 TEM(HRTEM)下觀察到氧化鋅納米梳的梳齒尖端和梳齒根部拐角處有很多由點(diǎn)缺陷、線缺陷和應(yīng)變?cè)斐傻膶渝e(cuò)，這些缺陷誘導(dǎo)納米梳的梳齒成核生長(zhǎng)且朝著低能晶面（0001）面生長(zhǎng)。相對(duì)于納米梳，納米旗的缺陷相對(duì)較少，只是在納米旗的頂端合金處和旗片與旗桿連接拐角處存在一些缺陷。由于納米梳的生長(zhǎng)溫度相對(duì)較低，所以產(chǎn)生較多的缺陷而使納米梳梳齒生長(zhǎng)從而形成納米梳結(jié)構(gòu)。另外，兩種納米結(jié)構(gòu)的 STXM-XANES圖譜中都沒(méi)有任何雜質(zhì)元素。
　

5、　利用325nm的紫外燈照射兩種不同形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，分別發(fā)出了不同的光，納米梳發(fā)黃綠光，納米旗發(fā)較弱的綠光。為了研究這兩種不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)，分別使用了陰極射線發(fā)光（CL）、光致發(fā)光(PL)和 X射線熒光(XEOL)三種熒光測(cè)試方法從不同角度分析了氧化鋅的發(fā)光特性，CL發(fā)光是電子作為光源，電子激發(fā)可獲得價(jià)帶和淺核電子的信息；PL和XEOL都是以光子作為光源，光子的穿透深度比電子的穿透深度深，并且XEOL中的X射線的能量最

6、高探測(cè)深度最深，更重要的特點(diǎn)是，XEOL使用同步輻射 X射線激發(fā)光源可以選擇性激發(fā)不同化學(xué)環(huán)境下的核殼電子從而提供材料發(fā)光中心的相關(guān)信息。納米氧化鋅的形貌不同產(chǎn)生了近邊能帶發(fā)光（NBG）與綠光缺陷發(fā)光(DE)的之間的發(fā)光強(qiáng)度比例的不同。測(cè)得的納米梳的CL、PL和XEOL光譜圖均有兩個(gè)特征發(fā)射峰，一個(gè)是紫外區(qū)378nm的近邊能帶發(fā)射峰，一個(gè)是綠光區(qū)517-530nm的缺陷發(fā)射峰；納米旗的CL、PL光譜圖只有一個(gè)380nm的近邊能帶發(fā)射峰，

7、而它的XEOL光譜圖有兩個(gè)特征峰，一個(gè)是380nm的近邊能帶發(fā)射峰，另一個(gè)是綠光區(qū)517-530nm的缺陷發(fā)射峰。這是由于納米旗的結(jié)晶性高于納米梳，缺陷少。兩種納米結(jié)構(gòu)的XEOL光譜分別通過(guò)激發(fā)Zn-L邊和O-K邊，得到隨著激發(fā)能量的增加DE強(qiáng)度都顯著增強(qiáng)，說(shuō)明兩種納米結(jié)構(gòu)的缺陷發(fā)光與Zn和O之間都有關(guān)聯(lián)，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，我們認(rèn)為納米梳和納米旗中的氧空位和鋅填隙都對(duì)缺陷發(fā)光有貢獻(xiàn)。相比于CL和PL，XEOL光譜探測(cè)到更強(qiáng)的缺陷發(fā)光，因此我