纳米ZnO在多孔氧化铝模板内的发光特性的研究

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ZnO为直接带隙宽禁带半导体材料,可作为蓝绿波段光电子设备和半导体激光器件的基础材料。利用阳极氧化法制备的多孔氧化铝可以作为制备多种纳米复合材料的模板。本文主要对多孔氧化铝膜的生长规律和ZnO/PAA(Porous AnodicAlumina)组装体系的发光性质进行了研究。通过对多孔Al2O3模板进行扫描电镜(SEM)和X光衍射的测试,我们观察到多孔Al2O3模板的孔洞在微米范围内呈有序的六角排列(但随电解液种类不同,有的孔洞在观察的时间内排列还不够规则),孔洞的生长方向与铝基体的表面垂直,彼此平行;而Al2O3膜本身的结构是非晶态的。我们进一步研究了多孔Al2O3膜的生长规律,发现随着阳极氧化电压的增大,氧化铝模板的孔间距和孔径都与电压呈线性关系地增大;采用不同种类的电解液所制备的氧化铝模板的颜色不同,草酸制备的模板呈黄色,而以磷酸和铬酸电解液制备的模板为淡蓝紫色,去除铝基底后的氧化铝膜是透明的;阳极氧化时间越长,氧化膜的厚度就越厚,孔洞的排列越趋向周期性的规则排列,表明多孔氧化铝膜的孔洞按“自组织”方式生长;阳极氧化的温度要尽可能得低,温度高于20℃,模板表面就会起泡,从而损坏模板。采用溶胶—凝胶法,在多孔Al2O3模板的孔洞内成功地掺入纳米ZnO发光材料,我们研究了多孔氧化铝模板对ZnO发光性能的影响。我们得到如下主要结果:(1)多孔Al2O3模板,在484nm附近存在一个强的蓝光发光峰,其发光机制来源于多孔Al2O3膜内存在着大量的氧离子单空位(F+心)。(2)不同温度退火后的多孔Al2O3模板,在472nm附近有一个强的蓝光发光带,退火后比退火前的模板发光谱线的这种“蓝移”,主要是因为退火减小了氧化铝模板内部的应力;发光峰的强度随退火温度的升高而降低,这是因为扩散进入模板的氧与模板内的氧空位复合,从而导致氧空位浓度减小;另外,我们观察到在大约500℃以上的温度退火后,Al2O3模板的发光消失,这是因为氧空位缺陷(F+心)的消除。(3)对于纳米ZnO/PAA组装体系,不同退火温度对其发光性能产生不同的影响,当退火温度从300℃上升到500℃时,ZnO/PAA组装体的谱线相对于退火后的多孔Al2O3模板的荧光谱发生了“继续蓝移”,发光峰移至445nm附近;当退火温度高于500℃时,发光峰又发生了“红移”,这种“继续蓝移”和“红移”的现象,都是ZnO纳米颗粒量子限域效应的结果。纳米ZnO/PAA组装体系的发光
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