多元氧化物纳米材料的制备及发光特性

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多元氧化物材料具有可改变组元以调控其性能的优点,可用于紫外光电探测器、气体感应探测、薄膜太阳能电池等领域。本文选择Zn-Sn-O三元体系作为研究对象,采用热蒸发气相沉积技术,开展相关纳米材料可控制备和常规表征分析工作,并进行发光性能调控等方面的探索,取得部分有意义的研究成果,主要研究内容及结果如下:(1) Zn2SnO4纳米材料的合成及发光特性以Zn/SnO2/活性炭混合粉末为原料,采用碳热还原热蒸发方法,制备出形貌类似豆荚的Zn2SnO4纳米材料。X射线衍射图谱(XRD)与拉曼(Raman)光谱分析证实,产物中存在少量ZnO成分。进一步的X射线光电子能谱(XPS)数据分析,半定量给出ZnO相比例(At.%≈8.49);同时还表明产物中Zn和Sn分别是以+2和+4价氧化态存在,其中Zn2p3/2有两个结合能分别来自ZnO和Zn2SnO4,且Zn2SnO4中Sn4+占据两个不同的格点位置。室温下光致发光(PL)谱结果显示,除了常见的黄橙发光峰外,主要与氧空位和锌填隙等点缺陷相关,还存在明显的紫外发射,高斯分峰拟合为358 nm和385 nm两个发光峰,经过与纯相ZnO发光光谱对比,确认358 nm发光峰来自于Zn2SnO4的近带边复合发光。(2) Sn掺杂浓度对ZnO纳米材料结构及发光性能的影响以Sn粉和Zn粉为原料,通过改变反应锡锌摩尔配比(Tin/Zinc摩尔比分别为0.11,0.2,0.33,0.5),制备出不同Sn掺杂浓度ZnO纳米材料,扫描电镜(SEM)形貌观察结果显示:随着锡锌摩尔比的增加,产物的形貌由纳米针转变为纳米铅笔、纳米片针、纳米螺旋;X射线衍射图谱结果表明掺杂并未引入其它杂相,同时掺杂的浓度高低会引起晶格常数的变化;能谱分析仪(EDS)证实了Sn的掺杂浓度(At.%)范围从0变化到1.378 %;室温下光致发光光谱(PL)谱显示,随着掺杂浓度升高,Zn1-xSnxO4纳米材料的近带边发光峰(NBE)略微蓝移;最后从原子晶格替位角度探讨掺杂对晶格结构影响,从浓度改变引起的Burstein Moss效应来解释发光性能调控的机理。(3) Sn掺杂ZnO周期调制纳米结构在较低温度(800℃)条件下无催化制备Sn掺杂ZnO周期调制纳米结构,周期单元长度为25 30 nm;高倍TEM电镜显示单元与单元之间被非均匀过渡层-“反转界面”(IBs)隔开,过渡层厚度在2.4 3 nm;XRD结果显示该结构有可能沿c轴择优生长,这与高倍TEM晶格观察结果一致;与此前报道In掺杂的ZnO调制纳米结构不同,此种ZnO调制纳米结构尚未在Sn掺杂ZnO纳米材料中报道过;最后从缓解晶格应变能角度考虑,提出可能的原子结构模型,解释了这种自组装构建过程。
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