Ag掺杂/修饰ZnO纳米材料的制备及光电特性研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vpnyoyo
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ZnO半导体材料具有宽的光学带隙和高的激子结合能,在光电子领域具有很大的应用潜能。但是ZnO的自发极性和本征缺陷限制了它的应用性能,可以通过受主型元素掺杂来改变ZnO的n型施主缺陷,通过复合来改变ZnO的形貌特征,提升其光电性质和应用价值。  本文基于磁控溅射(MS)和化学气相沉积(CVD)技术设计合成了Ag-ZnO纳米薄膜,Ag/ZnO含芯纳米管和Ag/ZnO覆粒纳米线三种材料,利用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射分析(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的晶体形貌结构和化学组分进行表征分析。探究不同含量的Ag掺杂/复合对ZnO缺陷和形貌的影响,根据三种材料所具有的不同形貌结构等特点,测试研究了相应的光学和光电性质,主要研究结果如下:  在MS实验中,采用直流-射频共溅射制备的Ag-ZnO薄膜表现出较好c轴择优生长,低含量Ag掺杂提升了ZnO的结晶质量,薄膜表现出较好的非线性性质,8w的Ag-ZnO非线性吸收系数为208.8cm/Gw;高含量Ag掺杂改变了ZnO的形貌并出现新的结晶态,薄膜表现出较好的紫外发光和较强的场发射性质,30w的Ag-ZnO开启电场为7.8V/μm,场增强因子为12529。  在CVD实验中,通过分步加热调控生长出了形貌独特的Ag/ZnO含芯纳米管材料,由V-L-S理论分析认为分步加热过程影响了芯和外壁的先后生长。低温加热时Ag主导了芯的生成,高温加热时ZnO主导了外壁的生成。材料对紫外光有一个强的吸收峰,源于ZnO的本征吸收,在可见光区有强的光致发光带,发光波段几乎涵盖整个可见光区。由于Ag与ZnO的复合,提供了新的能级和电子流动,宽的可见光区发射可能是多个缺陷的复合发光结果。  将MS与CVD技术结合合成了Ag/ZnO覆粒纳米线。ZnO纳米线表面可以看到清晰的Ag纳米颗粒,随着Ag溅射时间的增加,表面Ag颗粒分布密度变大,Ag对纳米线的覆盖面积增加。所有材料均表现出良好的非线性折射性质,折射率在10-17m2/W数量级。当Ag溅射时间增加到200s时,在纳米线表面出现Ag颗粒的聚集团簇现象,此时材料具有最强的光电流响应和最小的界面层电阻。在Xe灯照射下,材料的光电化学性质得到进一步提升,是由于光激发促进ZnO的价带电子跃迁到导带,表面Ag颗粒促进光生电子和空穴向电极的转移。
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