ZnS納米晶的制備及光學性能研究.pdf

1、近年來,由于納米尺寸的II-VI半導體化合物所表現(xiàn)出來的一些新穎的光學和電學特性而引起了人們的廣泛興趣。ZnS是一種重要的II-VI化合物,由于其具有比較寬的禁帶寬度,是一種重要的光電子器件材料,特別是作為一種發(fā)光材料而得到重要的應用。為了使ZnS納米發(fā)光材料全色化,提高其發(fā)光效率和光電性能,使得ZnS納米材料發(fā)揮更大的優(yōu)良特性,人們在研究純ZnS材料的基礎上又對摻雜的ZnS納米材料進行了廣泛地研究,如:摻雜Cu2+和 Mn2+(ZnS

2、:Cu;ZnS:Mn)等。
　　本文運用兩種不同的方法制備了ZnS納米晶。(一)利用激光分子束外延設備制備了不同條件下的ZnS薄膜納米晶;(二)利用化學方法制備了Mn摻雜的ZnS粉末納米晶顆粒。利用 XRD、SEM、熒光分光光度計、紫外可見吸收光譜儀和拉曼光譜儀等測試儀器,對ZnS薄膜和Mn摻雜 ZnS顆粒的結構特性和發(fā)光性能進行了系統(tǒng)的研究。主要結論如下:
　　1.以Al2O3為襯底的ZnS薄膜沿(111)晶向擇優(yōu)生長。隨

3、襯底溫度的升高,衍射峰強度和半高寬呈現(xiàn)非單調變化,250℃時衍射峰最強且半高寬最小,薄膜具有最好的結晶質量,此時晶粒尺寸為21.73 nm;同時還發(fā)現(xiàn)薄膜在可見光區(qū)的透射率比較高,吸收峰也較陡峭,在這個溫度帶隙寬度也最大,約為3.7 eV。PL譜表明發(fā)光峰在414 nm—460 nm,為藍光發(fā)射帶。隨著溫度的升高,發(fā)光變強變寬,250℃時發(fā)光最強。
　　2.以玻璃做襯底的薄膜主要沿(111)晶向擇優(yōu)生長,同時也出現(xiàn)了(311),(

4、220)晶向的衍射峰。在250℃時,ZnS薄膜沿(111)方向的擇優(yōu)取向最好,衍射峰的強度最強。300℃時,晶粒尺寸最大,但透射率比較低,在可見光區(qū)的透射率大約在50％以上。隨著襯底溫度的升高,透射率逐漸增大,吸收邊逐漸變得陡峭。當襯底溫度為300℃時,薄膜在可見光的透射率能達到70%以上,并且出現(xiàn)吸收帶邊藍移現(xiàn)象。PL譜表明在420-430 nm和517 nm處有兩個發(fā)光峰。
　　3.以Si做襯底的ZnS薄膜出現(xiàn)了(111),(

5、311),(220)三種晶向的衍射峰,主要沿(111)晶向擇優(yōu)生長。隨襯底溫度的升高,在250℃時,峰的強度最強,擇優(yōu)取向最好,300℃時晶粒尺寸最大;由SEM結果可以看到薄膜的晶粒呈柱狀生長,表面比較平整,致密。同時PL譜結果表明ZnS薄膜在420 nm和460 nm處出現(xiàn)了兩個發(fā)光峰。隨襯底溫度的升高,發(fā)光峰強度增強,半高寬變窄,并出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象,這是由于量子尺寸效應引起的。420 nm處的發(fā)光是由于ZnS薄膜的S空位造成的。460

6、 nm處的發(fā)光是歸因為Zn空位發(fā)光。
　　4.運用化學方法制備了ZnS:Mn納米晶顆粒。研究結果表明所有的樣品均為立方結構,其納米晶的顆粒尺寸大約為15-20 nm。當ZnS納米晶粒中摻入2.5mol%的Mn時,部分納米晶顆粒的結構由立方結構變?yōu)榱墙Y構。同時研究還發(fā)現(xiàn),418 nm和470 nm的發(fā)光峰分別是由于S空位和Zn空位引起的,518 nm處的發(fā)光峰可以解釋為S空位和Zn空位之間的施主-受主對復合。當摻入2mol%的Mn