微波诱导燃烧合成半导体元素复合氧化锌纳米材料的光学性能研究

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近年来,由于纳米氧化锌具有特殊的电子结构、优良的性能与潜在的应用价值受到广泛关注,氧化锌作为直接带隙禁带半导体的材料,在室温下禁带宽度可达3.37eV,并且激子束缚能高达60MeV,远大于ZnSe(20MeV)和GaN(21MeV),大量用于电子工业。这种材料的应用基础是由于它们优良的能带性能和光谱特性。但是,如果纳米氧化锌的尺寸为纳米数量级时,和普通的氧化锌比较,其表现出更多特殊的、优异的性质,譬如压电性、荧光性、吸收与散射紫外线的能力、无毒与非迁移性等。这种新物质状态,赋予氧化锌更多的用途。然而纯ZnO荧光性能较差,严重影响了其应用前景。复合是非常重要的氧化物半导体改性技术,通过复合可以改变半导体材料的荧光性质,是实现纳米材料作为光电子功能器件的关键。在本研究中,以微波诱导燃烧法合成了稀土元素铕及半导体元素(Al、Ga)复合氧化锌纳米材料,利用X射线衍射仪(XRD),扫描电镜(SEM),室温光致发光光谱(PL)等测试手段综合评价了复合氧化锌的结构及性能。并考察了微波功率、复合量、尿素用量等因素对产物的微观形貌和光致发光性能的影响。第一部分:以尿素为燃料,硝酸锌作为锌源和氧化剂,硝酸铕提供掺杂离子,以微波诱导燃烧法合成了铕掺杂氧化锌纳米材料。考察尿素用量、微波功率、稀土离子掺杂量对产物性能的影响。采用XRD、SEM、以及荧光检测等对产物进行了表征及分析。实验结果表明:当微波功率为340W,燃料恰好完全反应,反应物硝酸锌与硝酸铕摩尔比为1:1时得到产品的结晶度高,光学性能最好;晶相与标准立方相氧化锌衍射峰非常吻合。362nm处出现的紫外发射峰是由于氧化锌的紫外发射峰发生蓝移造成,而451nm、468nm、482nm处的蓝光发射峰可能是由于氧空位形成的浅施主能级向价带跃迁引起的。第二部分:以尿素为原料,硝酸锌作为锌源和氧化剂,复合氧化锌的材料变为半导体元素(Al、Ga),在对第一分部进行综合评价的基础上调整尿素用量、微波功率、复合量等因素合成复合氧化锌纳米材料。采用XRD、SEM、IR等测试手段及荧光检测对产物进行了表征。实验结果表明,镓复合量从20%到80%。复合浓度增加,均出现较弱的紫外发射峰,峰强度也随复合量的增加而增加;几种不同复合量下均出现了绿光发射峰,复合量为40%的纳米ZnO绿峰强度最低,结晶最为完整,光学性质最好。即选择复合物为Al时,当微波功率为340W,燃料恰好完全反应,AlGa的复合量为40%时,得到产品的结晶度高,光学性能最好,Ga次之。本文以微波诱导燃烧法合成了稀土元素铕,半导体元素(Al、Ga)复合氧化锌纳米材料,改变了氧化锌纳米材料的微观结构和发光性能,为氧化锌纳米材料在发光器件中的应用提供了理论基础。
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