四针状氧化锌晶须的掺杂及其性能研究

论文摘要

为了改善T-ZnOw的介电常数,提高其电损耗,对四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）采用了Al元素掺杂法改性。该法利用硝酸铝分解得到的Al2O3在高温下与四针状氧化锌晶须发生固相反应,Al3+掺入T-ZnOw晶格,形成n型半导体。当反应气氛是H2时,Al掺杂改性子-ZnOw的体积电阻率从原来的109～1010Ω·cm降低到103～106Ω·cm连续可调。随着Al掺杂浓度的提高,改性:T-ZnOw的载流子密度先增加后下降;并在Al掺杂浓度为4.0 mol%达到最大值,此时Al掺杂改性T-ZnOw体积电阻率达到最低值103Ω·cm。当Al掺杂浓度超过4.0 m01%时,Al与T-ZnOw反应生成第二相ZnAl2O4包覆T-ZnOw而使其体积电阻率升高。未改性T-ZnOw在2～18 GHz频率区间的电损耗正切在0.31～0.52之间,极大值产生于16.7 GHz点。掺杂4.0 m01%Al改性T-ZnOw的电损耗正切在0.44～1.14之间,并严格的随频率的升高而增大。利用自编的Matlab程序,通过输入矢量网络分析仪的测试数据进行模拟发现,经过4.0 mol%和8.0 mol%Al掺杂改性的T-ZnOw则在厚度为1mm时在高频（15～18 GHz）区域具有较宽吸收频带;在厚度达到2mm,3 mm时,吸收峰前移到5 GHz点左右。为了增强T-ZnOw的在低频段（2～8 GHz）的吸波效果,以硝酸铁为原料,采用和掺Al类似的方法,对T-ZnOw掺杂Fe,期望在改善T-ZnOw电损耗的同时,也改善其磁损耗。Fe元素的饱和掺杂浓度为2.0 mol%左右,当Fe元素掺杂浓度高于2.0 mol%时,富余的Fe与ZnO发生反应并生成第二相ZnFe2O4;反应会消耗部分TC-ZnOw针尖或棱角活性较大的分子破坏T-ZnOw微观形貌。当反应气氛为H2且Fe富余时,富余Fe中的一部分会被还原成单质。Fe掺杂改性对T-ZnOw的复磁导率实部改变并不明显,都保持在1.0左右,而虚部则明显改善。从改性T-ZnOw的复磁导率虚部来说,Fe的最佳掺杂浓度为2.0 mol%,此时在8 GHz点的最优值为0.33,其磁损耗正切为0.32。利用Matlab程序模拟Fe掺杂改性T-ZnOw样品的发射率发现,对于同一Fe掺杂浓度,随着厚度的增加,反射率模拟曲线峰值向低频方向移动;对于同一厚度,随着Fe掺杂浓度的提高,反射率模拟曲线峰值也向着低频方向移动。设定样品厚度为2 mm时,Fe掺杂浓度从0.5 mol%增加到4.0 mol%,其反射率模拟曲线峰值也从10.5 GHz减小到8.0 GHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 四针状氧化锌晶须概述
• 1.1.1 四针状氧化锌晶须的特性
• 1.1.2 四针状氧化锌晶须的制备及生长机理
• 1.1.3 四针状氧化锌晶须的改性研究进展
• 1.1.4 四针状氧化锌晶须的应用
• 1.2 半导体及其掺杂技术概述
• 1.2.1 能带理论及半导体导电机理
• 1.2.2 半导体基础知识
• 1.2.3 半导体掺杂技术及ZnO的掺杂研究进展
• 1.3 吸波隐身材料及其电磁损耗理论
• 1.3.1 吸波隐身材料及其分类
• 1.3.2 吸波隐身材料的吸波机理
• 1.4 课题的目的意义与研究内容
• 2 实验及表征方法
• 2.1 原料及主要仪器
• 2.2 实验过程
• 2.3 分析表征方法
• 3 结果与讨论
• 3.1 Al元素掺杂
• 3.1.1 硝酸铝在四针状氧化锌晶须中的分散性
• 3.1.2 Al掺杂改性T-ZnOw的XRD分析
• 3.1.3 Al掺杂改性四针状氧化锌晶须的SEM及EDXS分析
• 3.1.4 Al掺杂改性四针状氧化锌晶须的体积电阻率
• 3.1.5 Al掺杂改性四针状氧化锌晶须的介电常数及电损耗
• 3.1.6 Al掺杂改性四针状氧化锌晶须的反射率模拟
• 3.2 Fe掺杂四针状氧化锌晶须的结构与性能
• 3.2.1 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的颜色
• 3.2.2 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的XRD分析
• 3.2.3 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的SEM及EDXS分析
• 3.2.4 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的体积电阻率
• 3.2.5 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的电磁参数
• 3.2.6 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的反射率模拟
• 3.2.7 Fe掺杂改性四针状氧化锌晶须的磁性
• 4 结论
• 参考文献
• 附录（Matlab模拟程序）
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的论文及专利