Ga掺杂ZnO纳米结构制备及发光特性研究

论文摘要

近年来，作为一种重要的半导体材料，ZnO纳米结构尤其是一维纳米结构材料引起了人们极大的研究兴趣。ZnO独特的物化性质，使ZnO纳米结构材料不但适合做基础研究，而且具有许多潜在的应用价值，比如制作各种光电器件。ZnO纳米结构合成和器件应用方面的研究一直在不断进步，但关于ZnO材料的一些基本性质依然存在疑问，比如ZnO纳米结构中可见发射的来源问题，人们普遍认为ZnO纳米结构中的可见发射源自材料内部的各种缺陷，但不同波长的可见发射究竟与何种缺陷有关一直存在争议，其中最著名的是绿光发射的来源问题。掺杂是调控ZnO纳米结构光电特性的有效手段，通过掺杂能得到发光特性不同的ZnO纳米结构样品，结合对这些样品中缺陷分布特点的分析有望解答可见发射的来源问题。ZnO纳米结构掺杂主要有n型掺杂、p型掺杂、稀土元素掺杂和过渡金属元素掺杂四种，通常使用稀土元素掺杂来调控ZnO纳米结构的发光特性，但其他元素掺杂也能对ZnO纳米结构的发光特性进行调控，结合研究组具备的实验条件，我们选择利用Ga掺杂来调控ZnO纳米结构的发光特性。Ga掺杂往往对ZnO纳米结构表面形貌造成破坏，较高浓度Ga掺杂使样品表面变粗糙和不均匀。为了得到纯的和Ga掺杂浓度较高且形貌基本一致的ZnO纳米结构样品，我们发展了一种简单的扩散掺杂方法。本文主要内容包括：1. Ga掺杂ZnO纳米结构的制备及表征利用基于碳热还原反应的CVD方法制备了纯的和掺杂浓度从低到高变化的一系列Ga掺杂ZnO纳米结构样品，通过控制简单的实验条件就能调节样品的掺杂浓度。用FESEM、XRD、HRTEM、XPS和PL对样品的形貌、结构、成分和发光特性进行了研究。只有当掺杂浓度达到一定值时样品中才会出现杂相，可以在较大掺杂浓度范围内对样品实现有效掺杂。2. Ga掺杂对ZnO纳米结构形貌的影响通过控制样品生长过程中氧气流的通入条件实现了纯ZnO纳米棒和纳米钉阵列的可控制备，引进Ga源后，随着源料摩尔比Ga:ZnO的升高样品的形貌会发生有规律的变化，这是Ga源处在非有效掺杂位置时的情况。Ga源移动到有效掺杂位置后，样品形貌会发生很大变化，从ZnO纳米棒变成了ZnO锥状和树状纳米结构，其中Ga掺杂ZnO树状纳米结构还未见报道，我们还研究了其可能的生长机理。在Ga气氛中对生长好的纯ZnO纳米棒阵列进行退火，在保持样品形貌基本不变和不产生杂相的前提下成功地实现了对ZnO纳米棒的较高浓度掺杂。3. Ga掺杂对ZnO纳米结构发光特性的调控样品的可见发射(峰位≈500nm)强度(或可见与近紫外峰强度比)随Ga掺杂浓度升高而降低直至可见发射趋于消失。对纯和掺杂样品XPS谱中O1s峰进行分峰处理后发现，与氧空位缺陷浓度正相关的空位氧峰相对强度(空位氧峰与晶格氧峰的积分面积比)也随Ga掺杂浓度升高而降低直至空位氧峰消失。可见与近紫外峰强度比及空位氧峰相对强度随Ga掺杂浓度的变化关系基本一致，可见与近紫外峰强度比和空位氧峰相对强度之间成近似线性的变化关系。氧空位缺陷浓度越高，样品的可见发射就越强、近紫外发射就越弱；反之则样品的可见发射就越弱、近紫外发射就越强。由此推断可见发射来源于氧空位缺陷，Ga掺杂能减少氧空位缺陷从而抑制样品的可见发射。我们的结论对于理解ZnO纳米结构中绿光发射来源有一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 纳米结构掺杂
• 1.3 本论文研究内容和初步结果
• 参考文献
• 第二章 Ga 掺杂 ZnO 纳米棒的制备和发光特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.3 Ga 掺杂 ZnO 纳米棒
• 2.3.1 Ga 掺杂 ZnO 纳米棒的形貌表征
• 2.3.2 Ga 掺杂 ZnO 纳米棒的成分和结构表征
• 2.3.3 Ga 掺杂 ZnO 纳米棒的发光特性
• 2.3.4 小结
• 2.4 Ga 扩散掺杂的初步研究
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 合适的退火条件选择
• 2.4.3 扩散掺杂结果讨论
• 2.4.4 小结
• 2.5 本章总结
• 参考文献
• 第三章 Ga 掺杂 ZnO 锥状和树状纳米结构的制备和发光特性
• 3.1 引言
• 3.2 纳米结构的制备方法
• 3.3 Ga 掺杂 ZnO 锥状纳米结构
• 3.3.1 Ga 掺杂 ZnO 锥状纳米结构的形貌表征
• 3.3.2 Ga 掺杂 ZnO 锥状纳米结构的成分和结构表征
• 3.3.3 Ga 掺杂 ZnO 锥状纳米结构的发光性质研究
• 3.3.4 小结
• 3.4 Ga 掺杂 ZnO 树状纳米结构
• 3.4.1 Ga 掺杂 ZnO 树状纳米结构的制备
• 3.4.2 Ga 掺杂 ZnO 树状纳米结构的形貌、成分、结构表征
• 3.4.3 Ga 掺杂 ZnO 树状纳米结构可能的生长机理
• 3.4.4 Ga 掺杂 ZnO 树状纳米结构的发光性质研究
• 3.4.5 小结
• 3.5 本章总结
• 参考文献
• 致谢
• 发表或准备发表的文章目录