硫掺杂氧化锌纳米线的制备及性质研究

论文摘要

ZnO是一种重要的宽禁带隙（Eg=3.3eV）半导体材料,它的激子束缚能高达60meV。因此,氧化锌材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。近年来在短波长发光器件、光探测器件以及抗辐射、高频和大功率电子器件方面的发展十分迅速。目前,有关氧化锌研究部分主要集中在低维氧化锌纳米材料的制备、紫外激光发射和可见发光机制等方面。首先,本文中我们采用电场辅助电化学沉积法,利用阳极氧化铝模板（AAO）,使用0.00166 mol/L的Zn（NO3）2,0.0125 mol/L NaNO3水溶液制备了高度择优取向的ZnO单晶纳米线。X射线衍射仪（XRD）、隧道电子显微镜（TEM）、选取电子衍射（SADE）、X射线光电子能谱（XPS）对所得样品的结构、形貌以及化学组分分析表明,所得纳米线是沿（101）择优取向的六方纤锌矿结构单晶氧化锌纳米线,纳米线长约几十微米、直径约70～120nm。在PL谱中,除了有典型的ZnO纳米线强紫外（UV）发光峰和较弱绿光发光峰外,还有在412～430nm处的新的强蓝光发光峰和在464 nm处的蓝绿光发光峰。在617nm处还有一尖锐的、光强较强的红光发光峰。其次,我们采用相同的制备方法,使用0.00125 mol/L的Zn（NO3）2,0.0125mol/L Na2S水溶液制备了高度择优取向的硫掺杂ZnO单晶纳米线。XRD、TEM、SADE对所得样品的结构、形貌分析表明,所得纳米线S掺杂前后纳米线直径没有明显的变化,约70～120 nm,长度约几到几十个微米;掺杂前纳米线较光滑,S掺杂后在一些局部区域ZnO纳米线的直径有了一定的增加。XPS对化学组成的分析进一步证实掺杂硫原子的存在。用PL谱对S掺杂前后的ZnO纳米线进行光学特性测量发现,S掺杂较大地改变了ZnO纳米线的发光性质。除了有典型的ZnO纳米线在378、392nm处的强紫外发光峰和在507、533 nm处的较弱绿光发光峰外,还有在406、420、434nm处的新的强蓝光发光峰和在456 nm处的蓝绿光发光峰。与ZnO纳米线光致发光谱相比,在617nm处尖锐的、光强较强的红光发光峰消失。最后,研究了ZnO纳米线发光机制及硫掺杂对ZnO纳米线发光性质的影响。对比发现,当S取代ZnO中O的位置,近带边发射（NBE）会产生的蓝移,且光强增大。深能级发射强度稍有降低。近带边与深能级发射强度之比增大,说明带边本征紫外发射并没有由于硫掺杂而被抑制。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米线的特殊性能
• 1.2.1 纳米线的电性能
• 1.2.2 纳米线的光性能
• 1.2.3 纳米线的磁性能和巨磁电阻现象
• 1.3 纳米ZnO的研究与发展
• 1.3.1 氧化锌的结构
• 1.3.2 非化学计量的ZnO晶体能带结构
• 1.3.3 掺杂对ZnO的性能的影响
• 1.3.4 纳米ZnO的研究概况
• 1.4 ZnO纳米线的制备工艺
• 1.4.1 模板限制辅助生长法
• 1.4.2 金属有机气相外延（MOVPE）
• 1.4.3 热蒸发
• 1.4.4 气相沉积法
• 1.5 本论文研究的意义和目的
• 参考文献
• 第二章 阳极氧化铝模板的制备和表征
• 2.1 引言
• 2.2 阳极氧化铝膜的结构模型
• 2.2.1 Keller模型
• 2.2.2 Murphy模型
• 2.2.3 Wood模型
• 2.2.4 Wada模型
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 实验仪器和试剂
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 铝阳极氧化
• 2.3.4 后处理
• 2.3.5 实验观察
• 2.4 实验结果分析与讨论
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）观察与分析
• 参考文献
• 第三章 纳米线的制备与表征
• 3.1 电沉积技术
• 3.1.1 电化学沉积与硬模板结合制备纳米材料
• 3.1.2 电泳沉积制备纳米线
• 3.2 样品制备、表征及结果
• 3.2.1 ZnO纳米线的制备、结构表征及结果
• 3.2.2 硫掺杂氧化锌纳米线的制备、结构表征及结果
• 参考文献
• 第四章 ZNO纳米线发光性质研究
• 4.1 半导体光学性质简介
• 4.1.1 本征发光
• 4.1.2 非本征发光
• 4.2 体材料ZnO光学性质
• 4.2.1 吸收和反射
• 4.2.2 光发射
• 4.3 ZnO纳米线的光致发光
• 4.3.1 近带边发射
• 4.3.2 ZnO纳米线的绿光发射机制
• 4.4 硫掺杂ZnO纳米线光致发光机制
• 参考文献
• 第五章 结论
• 致谢
• 附录:在硕士期间发表的论文