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ZnO量子点是一种尺寸大小为1-100nm的团簇,由于具有量子尺寸效应,可以通过控制其几何尺寸以及形貌结构来获得独特的光电性质,是21世纪最具应用潜力的材料之一。由于ZnO量子点在光电LED,紫外激光二极管,太阳能电池以及生物传感器等领域有着良好的应用前景,探索ZnO发光性能对进一步扩展其应用具有重要意义。ZnO量子点在紫外光激发下具有良好的发光性质,是非常理想的紫外光电子器件材料。以ZnO量子点为基质,掺入发光性能优良的稀土元素,并通过稀土离子与ZnO基质之间的能量传递改善量子点发光性质,为ZnO量子点实际应用提供一定的理论基础及技术支持。
本文通过溶胶凝胶法制备了ZnO量子点,并且通过稀土离子pr3+、Eu3+单掺和双掺制备了稀土掺杂的ZnO量子点。通过改变稀土掺杂的种类以及掺入量,利用XRD、TEM、XPS、荧光光谱以及紫外吸收光谱等测试手段,研究了ZnO量子点的发光性能以及稀土掺杂的种类、掺入量对ZnO发光性能的影响。结果表明:
1.本研究中通过溶胶凝胶法制备得到的ZnO量子点为六方纤锌矿结构,只有ZnO晶相,量子点近似呈球形,直径在5纳米左右,粒径分布均匀且结晶性能良好。
2.通过溶胶凝胶法制备的稀土pr3+、pr3+-Eu3+共掺杂的ZnO量子点为六方纤锌矿结构,产物中只有ZnO的晶相。稀土离子除少量进入ZnO晶格代替Zn2+,引起ZnO晶格畸变,使粒径变大外,大部分稀土离子聚集在ZnO量子点表面,ZnO量子点的直径随稀土掺杂浓度的升高呈现先升高再降低的趋势。
3.325nm波长激发下,ZnO量子点的发光峰包括较窄的紫外发光峰和较宽的可见光发光峰,485nm波长激发下ZnO量子点具有橙红发光峰。通过研究储存时间对ZnO量子点发光性质的影响,证实了ZnO量子点紫外光和可见光发射与样品的自由激子复合以及样品中的缺陷能级有关。储存在溶液中的ZnO量子点与粉末状态储存相比更容易发生团聚。
4.ZnO量子点在稀土pr3+离子掺杂后,其紫外发光峰发生红移;可见光发光峰随稀土离子掺杂浓度的增加先上升后下降,pr3+离子与ZnO基质存在能量传递,同时也证明了可见光发射来源于量子点表面缺陷。在掺杂浓度不大于1mol%时,Pr3+离子掺杂能提高橙红光发射。
5.pr3+-Eu3+离子共掺杂ZnO量子点的紫外发光峰发生红移并且与可见光发光峰重叠,pr3+离子和Eu3+离子也有发射峰出现,pr3+离子和Eu3+离子之间以及稀土离子与ZnO基质之间都存在能量传递。