本征及摻雜氧化鋅的制備和光電性質(zhì)研究.pdf

1、ZnO作為一種發(fā)光材料,具有開發(fā)藍(lán)光、藍(lán)綠光、紫外光等多種發(fā)光源的優(yōu)勢(shì)。和目前應(yīng)用上最成功的寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN相比,ZnO材料具有很多優(yōu)點(diǎn)。ZnO材料的生長(zhǎng)溫度一般低于700℃,比GaN(生長(zhǎng)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(zhuǎn)換率;ZnO材料具有較高的激子復(fù)合能(60 meV),可能實(shí)現(xiàn)室溫下較強(qiáng)的紫外受激發(fā)射,從而制備出較好性能的探測(cè)器、LED等光電子器件。
　　

2、在人們以往的研究過(guò)程中,無(wú)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(shù)。因此,我們?cè)谘芯抗ぷ髦?對(duì)有些看似重復(fù)的制備工藝進(jìn)行了調(diào)整和實(shí)驗(yàn)條件的改變制備出了具有特殊性質(zhì)的ZnO材料。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)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(shí)間和合成溫度為條件,制備了棒狀納米ZnO顆粒。通過(guò)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(dǎo)率測(cè)試等對(duì)樣品進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:制備納米ZnO粉末具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),沿(101)面擇優(yōu)生長(zhǎng);隨合成時(shí)間和溫度的增加,ZnO樣品的純度逐漸增加;當(dāng)合成時(shí)間為25h,溫度為200℃時(shí),ZnO樣品結(jié)晶最好、成棒狀,平均直徑為30-40nm,長(zhǎng)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(jié)構(gòu)出發(fā)深入分析了以上結(jié)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(zhì)量的棒狀納米氧化鋅,通過(guò)X射線衍射儀(XRD)表征了其晶相結(jié)構(gòu),利用熒光分光光度計(jì)測(cè)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(duì)本征氧化鋅薄膜的表面形貌進(jìn)行了重點(diǎn)分析。結(jié)果表明:本征ZnO為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu);薄膜沿C軸取向生長(zhǎng)且薄膜結(jié)晶質(zhì)量高,成棒狀結(jié)構(gòu)。直徑為400-600nm,長(zhǎng)度為3.78μm。從氧化鋅的晶格結(jié)構(gòu)和缺陷能級(jí)角度深入分析了上述結(jié)果產(chǎn)生的原因。

5、
　　 (3)以硝酸鋅溶液為電解液,采用電沉積技術(shù)在ITO導(dǎo)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(yīng)機(jī)理。通過(guò)對(duì)樣品的X射線衍射檢測(cè),證明制備出了沿(002)面擇優(yōu)生長(zhǎng)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(jié)果表明,此實(shí)驗(yàn)方法制備的ZnO薄膜,是納米級(jí),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(shù),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(cè)試臺(tái)等對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和光電性質(zhì)進(jìn)行了表征,討論了不同襯底溫度和摻雜量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:摻雜沒(méi)有改變ZnO的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu);表面較平坦;薄膜只

7、有較強(qiáng)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(dāng)襯底溫度為600℃時(shí),薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好,紫外發(fā)射最強(qiáng):襯底溫度為400℃時(shí),薄膜電阻率最低,達(dá)到了7.55×10-1Ω·cm。在Si襯底上,當(dāng)Na-Co摻雜濃度分別為5％和10％時(shí)峰值最強(qiáng)且紅移最明顯,發(fā)光峰波長(zhǎng)為397-nm。Na-Co摻雜濃度分別為10％時(shí),薄膜的電阻率最低,達(dá)到了8.34×10-1Ω·cm。從晶格匹配、缺陷能級(jí)等角度討論了上述結(jié)果產(chǎn)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(duì)顆粒和薄膜的晶相結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)進(jìn)行了表征并在CIE-XYZ表色系統(tǒng)中計(jì)算了不同樣品的色品坐標(biāo)。結(jié)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(yáng)的趨勢(shì);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(gè)新的峰值;其當(dāng)In含量為5％、10％時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)薄膜和顆粒的白光發(fā)射。從第一性原理

9、出發(fā)計(jì)算了樣品的能帶結(jié)構(gòu),從附加能級(jí)的角度討論了樣品白光發(fā)射的產(chǎn)生機(jī)理。
　　 (6)設(shè)計(jì)并制備了一維、有機(jī)/無(wú)機(jī)ZnO納米發(fā)光器件Glass/ITO/ZnONR/PMMA/PPV型器件,通過(guò)Ⅰ-Ⅴ曲線測(cè)試、電致發(fā)光測(cè)試分析了器件的性能。在室溫正向偏置直流電壓驅(qū)動(dòng)下都得到了ZnO的近紫外帶邊輻射發(fā)光。同時(shí)也檢測(cè)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(qiáng),而ZnO的近紫外帶邊輻射發(fā)光