寬帶隙半導(dǎo)體ZnO及SnO-,2-納米材料的摻雜研究.pdf

1、寬帶隙半導(dǎo)體(室溫下帶隙大于2.0 eV)在藍(lán)紫光和紫外光電子器件，高頻、高溫、高功率電子器件及場(chǎng)發(fā)射器件方面應(yīng)用廣泛。隨著科技的發(fā)展，對(duì)材料的性能要求越來越高如迫切需要能夠在高頻、高溫、大功率以及強(qiáng)輻射下穩(wěn)定及長(zhǎng)期工作的電子器件。氧化鋅(ZnO)是一種寬帶隙半導(dǎo)體(約3.2 eV)，激子束縛能為60meV，室溫下非常穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性及很強(qiáng)的抗輻射損傷能力。ZnO在平板顯示器、紫外發(fā)光二極管、氣敏元件、太陽能電池、場(chǎng)發(fā)射器件、

2、紅外反射器及透明導(dǎo)電薄膜中都有很大的應(yīng)用前景，因此得到了廣泛研究。ZnO是一種無毒，原材料豐富，價(jià)格低廉且易于合成的半導(dǎo)體材料，并且容易進(jìn)行摻雜改性。二氧化錫(SnO2)也是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其帶隙約3.6 eV且具有更高的激子束縛能130meV，室溫穩(wěn)定并且化學(xué)穩(wěn)定性高。SnO2廣泛應(yīng)用在氣敏元件、太陽能電池及電極材料中。本論文以ZnO及SnO2納米材料的制備和應(yīng)用為背景，以ZnO及SnO2納米薄膜、粉體制備及表征為重點(diǎn)，報(bào)道了納米材

3、料領(lǐng)域的研究進(jìn)展和我們的研究工作，主要研究?jī)?nèi)容有： 1、利用射頻磁控濺射法制備Zr摻雜ZnO薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜前后的ZnO薄膜在可見光區(qū)的透過率均在85％以上。摻雜后，ZnO薄膜帶隙變寬，由未摻雜的3.24 eV增大到3.53 eV(9.66 at.％Zr)；相比之下，摻雜樣品的形貌有很大變化，由帶有“褶皺”的不光滑顆粒轉(zhuǎn)變成光滑且較規(guī)則的顆粒。熱處理研究發(fā)現(xiàn)：未摻雜及摻雜量為1.04 at.％的樣品透過率明顯下降，低于80％

4、，而摻雜量高于1.04 at.％的樣品透過率仍在85％以上，且少量Zr摻雜的樣品導(dǎo)電性較好，光學(xué)帶隙在熱處理前后變化不明顯。 2、利用溶膠-凝膠法制備了稀土元素La摻雜的ZnO納米薄膜。研究了摻雜量對(duì)ZnO結(jié)構(gòu)、形貌及光學(xué)性質(zhì)的影響。摻雜前后ZnO薄膜均為纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，但結(jié)晶變差，晶粒由未摻雜的45 nm減小到10 nm(摻雜量10 at.％)。由于部分La3+離子摻入到ZnO晶格當(dāng)中，光學(xué)帶隙由未摻雜的3.26 eV增大到3.

5、31 eV，摻雜前后透過率均在85％以上，摻雜樣品有所提高。經(jīng)XPS研究分析，在薄膜表面La元素主要以化合物L(fēng)a(OH)3的形式存在，表面富含-OH離子。 3、結(jié)合溶膠-凝膠技術(shù)，利用水熱法制備了Al摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al摻雜量由0 at.％、1 at.％增大到3 at.％，ZnO的形貌由規(guī)則的納米棒陣列逐漸演變?yōu)閮A斜的納米棒、納米管/棒共存；當(dāng)含量達(dá)到6 at.％時(shí)，出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZnO。經(jīng)XPS分析，Zn

6、O納米結(jié)構(gòu)中存在少量Al元素，其對(duì)ZnO形貌的影響很大。在適量的摻雜濃度下(3 at.％Al)，Al(OH)4-基團(tuán)抑制了ZnO沿(002)晶面的生長(zhǎng)并對(duì)Zn-terminated(002)極性面有腐蝕作用，因此出現(xiàn)ZnO納米管；而O-terminated(002)極性面為ZnO納米棒的生長(zhǎng)提供形核位置。在紫外Raman光譜中觀察到，Al摻雜后，由于Al的存在與材料形貌發(fā)生變化，ZnO納米結(jié)構(gòu)界面處電磁相互作用發(fā)生改變，與表面聲子有關(guān)的

7、模式A1(LO)振動(dòng)相應(yīng)增強(qiáng)。 4、利用改進(jìn)的溶膠-凝膠技術(shù)，制備了Eu摻雜SnO2納米粉體和多孔膜。系統(tǒng)研究了不同Eu摻雜濃度下，SnO2粉體的結(jié)構(gòu)及發(fā)光特性。用不同的激發(fā)光來激發(fā)Eu摻雜SnO2粉體，可發(fā)出橙紅色和紅色可見光。Eu摻雜SnO2粉體的Eu3+離子表現(xiàn)出選擇性激發(fā)。在間接激發(fā)下(紫外光325 nm)，光譜以Eu3+離子的5D0→7F1躍遷發(fā)射為主；而在直接激發(fā)下(396 nm和466 nm)，以5D0→7F2的躍