ZnO基Ⅱ型纳米异质结构的合成与光学性质研究

论文摘要

低维半导体纳米材料由于其具有独特的理化特性近来得到了人们的广泛关注。半导体纳米线已经成为纳米科学领域内的研究热点问题。基于半导体纳米线的纳米器件已经应用到光电子器件、能量转换、生物医药、光学器件等各个领域。其中,ZnO作为近些年来新兴的一种半导体材料,具有在光电子领域良好的应用前景。我们以ZnO纳米结构为基础,研究了基于ZnO纳米线的Ⅱ型复合纳米结构。Ⅱ型复合结构由于其特有的能带结构,近年来得到了长足的发展。我们在本文中研究一些ZnO基Ⅱ型复合结构的合成、形成机制以及光学性质的例子。本文的主要工作就围绕着以ZnO纳米结构为基础的Ⅱ型复合纳米结构展开。（1）利用化学气相沉积法和溶液法分别合成了ZnO纳米结构,并研究了其光学性质。通过使用MOCVD法生长ZnO仔晶层和溅射的方法生长Au薄膜引导ZnO纳米阵列的生长。通过化学气相沉积法合成了ZnO纳米阵列。在水相和有机相中也分别合成了ZnO纳米结构。在水相中,通过调节还原剂的浓度可以改变纳米线的形貌。在有机相中,通过改变表面活性剂的电性可以调节ZnO纳米结构的形貌。（2）通过荧光发射光谱、激发光谱、瞬态光谱以及变温荧光光谱的手段研究了ZnO:Se纳米棒中的橙光发射。从而说明Se杂质在ZnO橙光发射中的作用,通过一个模型描述了橙光发射的过程。（3）气相法制备了ZnO:Se纳米棒。通过气相沉积的方法合成了ZnO-ZnSe纳米环。通过微观结构分析说明了这个纳米环的形成机制。同时测试了其光学性能,同样发现了很强的橙光发射。我们通过对ZnO-ZnSe之间的能带结构的分析,说明了橙光发射的过程。（4）利用金属辅助刻蚀法合成了硅纳米线阵列。我们研究了硅纳米线的形成过程,金属纳米粒子在刻蚀中的作用以及金属纳米颗粒在刻蚀过程中运动过程。通过对比将硅片浸没在不同浓度的金属离子中和不同的浸泡时间,探讨了由于Ag纳米颗粒的形貌不同导致的最后得到的硅纳米阵列的形貌差异。（5）通过调节刻蚀液中氧化剂的浓度使得硅纳米线表面出线了多孔结构。我们在这种多孔硅纳米线中发现了硅在可见光范围内的荧光发射。我们对比了不同的氧化剂浓度和不同电阻率的硅片中的荧光发射,尝试对这些硅纳米线中的荧光发射现象给予总结。（6）使用金属有机化学气相沉积的方法将ZnO纳米结构包覆到硅纳米线阵列中,研究了不同生长条件得到的两种ZnO纳米结构。对这两种ZnO-Si复合结构进行了结构表征和光学性质的表征。将ZnO包覆到多孔硅纳米线上,使多孔硅和ZnO在可见光区的荧光发射同时出现,得到一个几乎能够覆盖全部可见光区的一条荧光发射谱线。通过对Si-ZnO这种Ⅱ型异质结构能带的分析,说明了ZnO和Si在可见光区内由于能带结构导致的同时发光的原因。

论文目录

• 序言
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 功能性一维纳米结构
• 1.1.1 纳米结构的气相法合成
• 1.1.2 纳米结构的液相法合成
• 1.1.3 功能性纳米结构的应用和展望
• 1.2 ZnO的物理性质和应用
• 1.2.1 ZnO的晶体结构
• 1.2.2 ZnO的能带结构和能带调节
• 1.2.3 ZnO的电学性质
• 1.2.4 ZnO的光学性质
• 1.2.5 ZnO材料的应用和展望
• 1.3 ZnO纳米结构的合成
• 1.3.1 ZnO纳米结构的气相生长
• 1.3.2 ZnO纳米结构的液相法生长
• 1.4 ZnO中的激子发光
• 1.4.1 自由激子
• 1.4.2 束缚激子及双电子卫星峰
• 1.4.3 施主-受主对（DAP）,浅受主束缚激子跃迁及其声子伴线
• 1.5 ZnO中的缺陷发光
• 1.5.1 ZnO中的本征缺陷
• 1.5.2 绿光发射
• 1.5.3 黄光发射
• 1.5.4 红光发射
• 1.5.5 ZnO中的复合动力学
• 1.6 金属辅助刻蚀法制备硅纳米线
• 1.6.1 概述
• 1.6.2 金属辅助刻蚀的反应过程
• 1.6.3 金属的类型对硅纳米线刻蚀效果的影响
• 1.6.4 金属纳米颗粒在刻蚀过程中的形貌变化和运动状态
• 1.6.5 刻蚀过程中氧化剂的选择
• 1.6.6 硅衬底的性质对刻蚀过程的影响
• 1.7 Ⅱ型纳米核壳结构
• 1.7.1 核壳结构的基本概念
• 1.7.2 外部条件对Ⅱ型纳米异质结构光学性质的影响
• 1.7.3 多激子现象和光学放大效应
• 1.7.4 Ⅱ型核壳结构的展望
• 第二章 ZnO纳米结构的合成
• 2.1 ZnO纳米线的气相合成
• 2.1.1 实验方法
• 2.1.2 ZnO纳米线的SEM表征
• 2.1.3 ZnO纳米线的光学性质
• 2.2 ZnO纳米线阵列的气相合成
• 2.2.1 实验过程
• 2.2.2 ZnO纳米线阵列的SEM表征和光学性质
• 2.3 ZnO纳米线生长机制的讨论
• 2.4 ZnO纳米棒的液相合成
• 2.4.1 实验过程
• 2.4.2 形貌表征
• 2.4.3 光学性质
• 2.5 表面活性剂的电性改变有机相中合成的ZnO纳米结构的形貌
• 2.5.1 实验过程
• 2.5.2 形貌表征
• 2.6 小结
• 第三章 ZnO:Se纳米棒中的荧光发射
• 3.1 ZnO:Se纳米棒的合成
• 3.1.1 实验过程
• 3.1.2 形貌与物相分析
• 3.2 光学性质
• 3.2.1 室温稳态荧光发射光谱和激发光谱
• 3.2.2 变温荧光发射光谱
• 3.2.3 变温瞬态荧光光谱
• 3.2.4 ZnO:Se纳米棒中橙光发射的过程
• 3.2.5 Se杂质在ZnO纳米棒中的作用
• 3.3 小结
• 第四章 ZnO-ZnSe环状纳米结构
• 4.1 实验过程
• 4.2 形貌与物相分析
• 4.2.1 微观结构分析
• 4.2.2 ZnO-ZnSe纳米环的生长机制
• 4.3 光学性质
• 4.4 小结
• 第五章 硅纳米线阵列的制备和光学调控
• 5.1 硅纳米线阵列的合成
• 5.1.1 实验过程
• 5.1.2 金属表面在硅纳米线刻蚀过程中的演化
• 5.1.3 氧化剂浓度对硅纳米线阵列形貌的影响
• 5.2 多孔硅纳米线阵列及其光学调控
• 5.2.1 前言
• 5.2.2 多孔硅纳米线的合成和光学性质的调控
• 5.3 小结
• 第六章 Si-ZnO Ⅱ型纳米异质结构的合成与光学性质
• 6.1 前言
• 6.2 Si-ZnO纳米线阵列的合成与光学性质
• 6.2.1 实验过程
• 6.2.2 形貌表征
• 6.2.3 光学性质
• 6.3 多孔硅-ZnO纳米线阵列的合成与光学性质
• 6.3.1 实验过程
• 6.3.2 形貌表征
• 6.3.3 光学性质
• 6.3.4 ZnO-Si的能带结构对其荧光发射的影响
• 6.4 小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果