过渡金属掺杂ZnO纳米材料的合成与光学性能研究

来源 :天津理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wuhaoxin1987
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ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料,室温下激子束缚能很高,具有优良的物理和化学性质,是重要的光电子材料。纳米结构的ZnO是构建纳米光电子器件的基元,通过杂质离子掺杂能有效控制其光电性能。本文主要采用不同的方法合成过渡金属掺杂ZnO纳米材料,并采用多种表征手段研究了其结构及光学性能,主要工作内容如下:1、采用简单的水相共沉淀法及高温烧结反应制备了不同Co掺杂浓度的ZnO纳米晶。XRD和拉曼分析结果表明当掺杂浓度较低时Co离子进入了ZnO晶格中,并且没有形成杂相;当掺杂浓度大于5%时检测到了Co3O4杂相,这表明Co离子在我们所制备的样品中固溶度小于5%。所有的掺杂样品在566 nm,609 nm,654 nm处出现了吸收峰,是由Co离子在四面体晶体场中能级劈裂引起的,分别对应于4A2(F)-2E(G),4A2(F)-4T1(P),4A2(F)-4A1(G)的跃迁。掺杂样品的光致发光谱在685 nm处出现了与Co杂质能级相关的发光峰,这表明部分Co离子进入ZnO晶格中成功替代了Zn离子位置并在ZnO禁带中形成了相应的杂质能级。2、采用溶剂热法制备了不同Cu掺杂浓度的ZnO纳米材料,研究了掺杂浓度、反应温度对ZnO晶体结构、形貌及光学性能的影响。实验结果表明,随掺杂浓度的增加样品的掺杂浓度较高时有CuO杂相析出。所有掺杂样品均在可见区出现了宽吸收。所有样品的光致发光谱都包括紫外发射和可见发射两个发光峰,掺杂后样品的紫外发射和可见发射都发生了蓝移,讨论认为紫外发射的蓝移主要是由于晶格应力的变化引起的,可见发射的蓝移则主要是由掺杂引起的。对于同一浓度的掺杂样品,随着反应温度的升高,样品的结晶质量越好,当温度高于120℃时出现了CuO相关的杂相。不同温度条件下制备的Zn0.94Cu0.06O样品的光致发光谱只有发光强度发生了变化,发光位置没有明显的变化,这可能与Cu的析出有关。3、采用水浴法制备了核/壳结构的Zn1-xCuxO/ZnO纳米晶,实验结果表明新加入的Zn2+和OH-在Zn1-xCuxO纳米晶的表面继续反应而不是单独成核形成新的ZnO纳米晶。拉曼光谱的研究发现具有核壳结构的掺杂样品中没有出现Cu相关的杂相,而未包覆ZnO壳层样品的拉曼光谱中探测到了CuO相关的杂相,表明掺杂的Cu离子容易从ZnO纳米晶中析出并且析出的Cu离子可以被包覆在新形成的ZnO纳米晶壳层内部。光致发光谱的研究表明核/壳结构有助于抑制表面缺陷相关的发射。
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