氧空位對(duì)ZnO納米材料可見(jiàn)光區(qū)發(fā)光的影響.pdf

1、ZnO作為一種重要的多功能直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，因具有較高的激子束縛能，加之ZnO對(duì)生物無(wú)毒害，對(duì)環(huán)境友好，使其成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。ZnO納米材料的發(fā)光主要來(lái)自紫外區(qū)的近帶邊發(fā)射和可見(jiàn)光區(qū)的藍(lán)綠光發(fā)射，紫外光的發(fā)射是帶間躍遷引起的，而對(duì)藍(lán)綠光的發(fā)射過(guò)程一直沒(méi)有一致的認(rèn)識(shí)。我們研究了氧分壓對(duì)ZnO納米材料的氧空位及藍(lán)綠光發(fā)射的影響，與此同時(shí)我們也分別研究了在H2、O2中退火后的ZnO納米材料氧空位濃度及藍(lán)綠發(fā)射的變化。本文采用簡(jiǎn)

2、單化學(xué)氣相沉積法（CVD），以Au為催化劑，成功地在硅襯底制備出ZnO納米材料，開(kāi)展了氧空位濃度與藍(lán)綠光發(fā)射關(guān)系的相關(guān)研究。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）氧分壓對(duì)ZnO納米材料中氧空位濃度的影響
　　在不同的氧分壓下，成功的制備出了ZnO納米陣列。不同氧分壓下制備的ZnO在Raman光譜的圖譜中均在583cm-1出現(xiàn)了與氧空位有關(guān)的Raman特征峰。EDS檢測(cè)結(jié)果表明，ZnO納米材料的Zn:O原子比隨著氧分壓的提高而降低，推

3、斷出氧空位濃度隨氧分壓的提高而降低。
　　（2）分別在H2、O2氣氛中退火對(duì)ZnO納米材料的氧空位濃度的影響
　　將已制備的ZnO樣品放在H2氛圍中，溫度為500℃的條件下進(jìn)行退火，然后對(duì)其進(jìn)行表征。EDS檢測(cè)結(jié)果表明在H2氣氛中進(jìn)行退火后ZnO樣品中含氧量降低，推斷在H2中退火可以提高樣品氧空位濃度。然后將在H2氣氛中退火處理后的ZnO樣品放入O2中，800℃退火120min，并對(duì)其進(jìn)行表征。Raman光譜在583cm-1

4、出現(xiàn)與氧空位有關(guān)的Raman特征峰，說(shuō)明在O2退火后樣品中依然存在氧空位。EDS檢測(cè)結(jié)果表明在O2氣氛中退火處理后樣品的含氧量提高，推斷在O2中退火可以減小樣品的氧空位濃度。
　　（3）氧分壓及在H2氣氛中退火處理對(duì)ZnO發(fā)光特性的影響
　　首先，對(duì)比研究了不同氧分壓對(duì)ZnO納米材料可見(jiàn)光發(fā)射的影響。樣品的熒光光譜測(cè)試結(jié)果表明：藍(lán)光的發(fā)射峰（470nm）隨著氧分壓的提高而減弱，推斷位于470nm處的藍(lán)光發(fā)射主要來(lái)自淺施主能級(jí)

5、中的電子向氧空位形成的受主能級(jí)(VO+)的躍遷。然后對(duì)比研究在H2氣氛中退火處理后的ZnO納米材料的藍(lán)光發(fā)射的變化。SEM圖片和XRD譜圖顯示，ZnO納米材料在H2中退火不會(huì)改變樣品的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。樣品的熒光光譜結(jié)果表明，在H2氣氛中退火處理后的樣品的藍(lán)光發(fā)光峰強(qiáng)度與原樣的藍(lán)光發(fā)光峰強(qiáng)度比，都有不同程度的提高，進(jìn)一步證實(shí)了位于470nm處的藍(lán)光發(fā)射主要來(lái)自淺施主能級(jí)中的電子向氧空位形成的受主能級(jí)的躍遷。
　?。?）在O2氣氛中退

6、火處理對(duì)ZnO納米材料發(fā)光特性的影響
　　選兩組典型的氧空位濃度的ZnO樣品，分別在固定氧空位濃度下對(duì)比研究在O2中退火處理對(duì)藍(lán)光發(fā)射的影響。SEM圖片顯示，在O2中退火處理對(duì)樣品的形貌基本沒(méi)有影響。Raman表明：O2/Ar流量比為4:196制備的樣品在O2中退火前后均能探測(cè)到與氧空位有關(guān)的特征峰；而O2/Ar流量比為8:192制備的樣品在O2中退火后樣品探測(cè)不到與氧空位有關(guān)的特征峰。樣品的熒光光譜測(cè)試結(jié)果表明：O2/Ar為8:

7、192制備的材料氧空位濃度低，當(dāng)樣品在氧氣中退火時(shí)有部分氧擴(kuò)散進(jìn)入晶格使得退火處理后的熒光光譜中與氧空位有關(guān)的藍(lán)綠光發(fā)射峰（470nm）消失。而O2/Ar為4:196制備樣品材料氧空位濃度比較高，即使當(dāng)樣品在氧氣中退火時(shí)有部分氧擴(kuò)散進(jìn)入晶格中，退火后的樣品中依然存在一定量的氧空位。所以O(shè)2/Ar為4:196制備材料在O2中退火處理后的熒光光譜中依然會(huì)出現(xiàn)與氧空位有關(guān)的藍(lán)綠光發(fā)射峰（470nm）。同時(shí)在氧氣氛圍退火時(shí)，氧氣擴(kuò)散進(jìn)入晶格間隙