ZnO納米材料的摻雜制備及性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體,以其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)以及結(jié)構(gòu)特性成為了繼GaN之后第三代寬禁帶半導(dǎo)體光電材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),并且ZnO是現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)最為豐富的材料之一,這些特點(diǎn)使得ZnO納米材料在場(chǎng)發(fā)射器件、傳感器、紫外激光器、太陽(yáng)電池等方面均有著廣泛的應(yīng)用前景。目前,由于摻雜后的ZnO具有與本征ZnO不同的新性能而在光電領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,使得對(duì)準(zhǔn)一維ZnO納米結(jié)構(gòu)的摻雜研究成為了.人們研究工作的一個(gè)重點(diǎn)。通

2、過(guò)在ZnO納米結(jié)構(gòu)中摻入不同的元素,使得ZnO納米結(jié)構(gòu)的磁、電、光等物理性能得到進(jìn)一步改善,并對(duì)摻雜后的ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行深入研究,這一系統(tǒng)的研究將會(huì)擴(kuò)展ZnO納米結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用價(jià)值,并為納米材料的生長(zhǎng)提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。
　　 我們利用二氧化錳輔助化學(xué)氣相沉積方法在硅襯底上制備出ZnO納米錐陣列,對(duì)比未利用二氧化錳輔助生長(zhǎng)的ZnO納米線陣列,發(fā)現(xiàn)ZnO納米錐陣列的場(chǎng)致電子發(fā)射特性得到顯著的增強(qiáng),具有低的開(kāi)啟電場(chǎng)以及較

3、高的發(fā)射電流密度。分析認(rèn)為,優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性主要是來(lái)源于ZnO納米陣列的幾何結(jié)構(gòu),即最優(yōu)的錐形結(jié)構(gòu)。而對(duì)比分析納米結(jié)構(gòu)陣列的生長(zhǎng)條件,確定在制備過(guò)程中蒸發(fā)粉末源中二氧化錳的添加起到的非常重要的作用,它促使在硅襯底表面生長(zhǎng)出取向?yàn)閇0002]的ZnO過(guò)渡緩沖層,正是由于這層緩沖層的存在,才導(dǎo)致了ZnO米錐陣列的生成。研究結(jié)果認(rèn)為,在ZnO納米材料的制備過(guò)程中,任何所摻雜的元素都會(huì)對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌產(chǎn)生影響,進(jìn)而將影響ZnO納米材料的相

4、關(guān)物理性能。
　　 我們利用了高溫高壓脈沖沉積方法在硅襯底上制備了稀土元素Eu摻雜的ZnO納米線,并對(duì)摻雜了稀土Eu和ZnO納米線的結(jié)構(gòu)及發(fā)光性能進(jìn)行了表征,實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)在所制備的Eu摻雜ZnO納米線的頂部有合全顆粒的存在,這證實(shí)了Eu摻雜ZnO納米線的生長(zhǎng)過(guò)程是典型的VLS機(jī)制。X射線光電子能譜證實(shí)了ZnO納米線中Eu元素的存在,而通過(guò)對(duì)其進(jìn)行陰極射線致熒光光譜分析,得到了三價(jià)的稀土離子Eu的發(fā)光峰,進(jìn)一步證實(shí)了Eu元素已摻入

5、到ZnO納米材料中。
　　 另外,我們?cè)诠枰r底上制備出了均勻分散的且垂直于襯底的ZnO微納柱,對(duì)其進(jìn)行陰極射線致熒光光譜分析,在ZnO微納柱的單色發(fā)光像發(fā)現(xiàn)ZnO微納柱的整個(gè)側(cè)面上發(fā)光強(qiáng)度得以增強(qiáng),我們將其歸因于此時(shí)的ZnO微納柱內(nèi)作為基于WGM模式的諧振腔,納米材料本身所發(fā)出的光在自身體內(nèi)傳播并得以增強(qiáng)。相應(yīng)的理論計(jì)算與有限差分法模擬結(jié)果證實(shí)了在ZnO微納柱內(nèi)形成的WGM光學(xué)模式的光傳導(dǎo),這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是完全一致的。這也說(shuō)