本征及摻雜氧化鋅的制備和光電性質研究.pdf

1、ZnO作為一種發(fā)光材料,具有開發(fā)藍光、藍綠光、紫外光等多種發(fā)光源的優(yōu)勢。和目前應用上最成功的寬禁帶半導體材料GaN相比,ZnO材料具有很多優(yōu)點。ZnO材料的生長溫度一般低于700℃,比GaN(生長溫度1050℃)要低很多;ZnO材料的室溫下光致發(fā)光和受激輻射有較低的閾值功率和很高的能量轉換率;ZnO材料具有較高的激子復合能(60 meV),可能實現(xiàn)室溫下較強的紫外受激發(fā)射,從而制備出較好性能的探測器、LED等光電子器件。
　　

2、在人們以往的研究過程中,無論是何種制備方法、制備條件以及制備藥品的選擇都看似完備。但人們不可能窮盡一切制備ZnO的條件和技術。因此,我們在研究工作中,對有些看似重復的制備工藝進行了調整和實驗條件的改變制備出了具有特殊性質的ZnO材料。具體研究內容和結果如下:
　　 (1)以Zn(NO3)2和NaOH作為原料,在不使用添加劑的條件之下,采用水熱合成法以不同的合成時間和合成溫度為條件,制備了棒狀納米ZnO顆粒。通過X射線衍射圖譜(X

3、RD)、透射電子顯微鏡(TEM)、光致發(fā)光譜(PL)、電導率測試等對樣品進行了表征。結果表明:制備納米ZnO粉末具有六角纖鋅礦結構,沿(101)面擇優(yōu)生長;隨合成時間和溫度的增加,ZnO樣品的純度逐漸增加;當合成時間為25h,溫度為200℃時,ZnO樣品結晶最好、成棒狀,平均直徑為30-40nm,長度為300-400nm,電阻率最大,在376nm和500nm-600nm處有明顯光發(fā)射現(xiàn)象。從能帶結構出發(fā)深入分析了以上結果的成因。

4、　　 (2)采用兩步法在Si襯底上成功的制備出了高質量的棒狀納米氧化鋅,通過X射線衍射儀(XRD)表征了其晶相結構,利用熒光分光光度計測試了其發(fā)光譜。采用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)對本征氧化鋅薄膜的表面形貌進行了重點分析。結果表明:本征ZnO為六方纖鋅礦結構;薄膜沿C軸取向生長且薄膜結晶質量高,成棒狀結構。直徑為400-600nm,長度為3.78μm。從氧化鋅的晶格結構和缺陷能級角度深入分析了上述結果產生的原因。

5、
　　 (3)以硝酸鋅溶液為電解液,采用電沉積技術在ITO導電玻璃基片上制備純納米ZnO薄膜。研究了陰極還原沉積ZnO薄膜的反應機理。通過對樣品的X射線衍射檢測,證明制備出了沿(002)面擇優(yōu)生長的純ZnO薄膜,利用原子力顯微鏡(AFM)以及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了樣品的表面形貌,結果表明,此實驗方法制備的ZnO薄膜,是納米級,表面平整,起伏較小,顆粒均勻。由樣品的光致發(fā)光譜(PL譜)表明,樣品僅有紫外光區(qū)的發(fā)射。

6、　　 (4)采用脈沖激光沉積技術,在溫度為400℃、500℃、600℃的SiO2襯底上成功制備出新材料Zn0.8Na0.1Co0.1O薄膜。在Si(111)襯底上成功制備出不同含量Na-Co摻雜的ZnO薄膜。利用X射線衍射、原子力顯微鏡、熒光光譜儀、四探針電阻率測試臺等對薄膜的結構、表面形貌和光電性質進行了表征,討論了不同襯底溫度和摻雜量對薄膜結構、光學和電學性質的影響。結果表明:摻雜沒有改變ZnO的六角纖鋅礦結構;表面較平坦;薄膜只

7、有較強的紫外發(fā)射且較本征ZnO出現(xiàn)紅移;薄膜呈現(xiàn)低電阻率的特性。當襯底溫度為600℃時,薄膜的結晶質量最好,紫外發(fā)射最強:襯底溫度為400℃時,薄膜電阻率最低,達到了7.55×10-1Ω·cm。在Si襯底上,當Na-Co摻雜濃度分別為5％和10％時峰值最強且紅移最明顯,發(fā)光峰波長為397-nm。Na-Co摻雜濃度分別為10％時,薄膜的電阻率最低,達到了8.34×10-1Ω·cm。從晶格匹配、缺陷能級等角度討論了上述結果產生的原因。

8、>　　 (5)采用溶膠凝膠法制備了顆粒和薄膜的In:(Zn+In)分別為0％、5％、8％、10％的ZnO材料,對顆粒和薄膜的晶相結構和光電性質進行了表征并在CIE-XYZ表色系統(tǒng)中計算了不同樣品的色品坐標。結果表明:In原子完全替代Zn原子;薄膜的電阻率隨In含量的增加出現(xiàn)先抑后揚的趨勢;隨著In的摻入光譜的紫外發(fā)射峰“紅移”,并在670nm左右出現(xiàn)一個新的峰值;其當In含量為5％、10％時可分別實現(xiàn)薄膜和顆粒的白光發(fā)射。從第一性原理

9、出發(fā)計算了樣品的能帶結構,從附加能級的角度討論了樣品白光發(fā)射的產生機理。
　　 (6)設計并制備了一維、有機/無機ZnO納米發(fā)光器件Glass/ITO/ZnONR/PMMA/PPV型器件,通過Ⅰ-Ⅴ曲線測試、電致發(fā)光測試分析了器件的性能。在室溫正向偏置直流電壓驅動下都得到了ZnO的近紫外帶邊輻射發(fā)光。同時也檢測到了典型的MEH-PPV激子發(fā)光。在低電壓條件下,600nm的MEH-PPV激子發(fā)光比較強,而ZnO的近紫外帶邊輻射發(fā)光