水热法制备过渡金属掺杂ZnO及其光学性质研究

论文摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,可实现室温下的激子复合发光,在短波长发光器件方面有广泛的应用,同时,ZnO材料安全无毒、热稳定性和化学稳定性都比较好,已成为目前研究最多的宽禁带半导体材料之一。本文以醋酸锌和六次甲基四胺为反应物,采用水热法制备出本征ZnO粉体材料和过渡金属Co、Mn掺杂ZnO粉体材料。采用XRD、EDS、SEM、PL谱研究了其晶体结构、成分、表面形貌和光致发光特性,通过正交实验优化出了制备高质量Zn0粉体材料的工艺参数；在此工艺基础上制备了Co、Mn分别掺杂的ZnO粉体材料,讨论了掺杂量对其晶体结构、表面形貌和光致发光特性的影响,并探讨了ZnO晶体生长机理和ZnO材料的发光机制。主要研究内容包括以下三部分：1、在正交实验方法的基础上,利用水热法制备了ZnO粉体材料,选择溶液浓度、生长时间、生长温度和溶液PH值为考察因素,制备出结晶良好的ZnO粉体材料。获得了优化的实验工艺,即Zn2+浓度为0.03mol／L,反应温度为140℃,反应时间为10h,溶液PH值为9。2、当Co元素掺入ZnO时,（002）面衍射峰向大角度方向移动,晶格参数变小,原因是Co以替位的形式进入晶格,引起晶格畸变所致；随着掺杂量的增加,衍射峰强度减弱,表面形貌变差。在386nm和468nm处观察到了光致发光峰,386nm处的紫外发光峰来自于ZnO的带边激子跃迁,468nm处的蓝光发光可能来自于Zni→Vzn或者Zni→Oi的跃迁。3、当Mn元素掺入ZnO时,（002）面衍射峰向小角度方向移动,晶格参数变大,原因是Mn的固溶度低于Co,少量Mn以替位式掺杂进入晶格,部分Mn存在于晶格的间隙或吸附于表面,引起晶格参数变化,同时衍射峰强度变差,表面形貌分布不均匀。在386nm和468nm处观察到了光致发光峰,386nm处的紫外发光峰来自于ZnO的带边激子跃迁,468nm处的蓝光发光可能来自于Zni→Vzn或者Zni→Oi的跃迁。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 ZnO的国内外研究现状
• 1.3 ZnO的基本性质
• 1.3.1 ZnO的晶体结构
• 1.3.2 ZnO的光学性质
• 1.3.3 ZnO的磁学性质
• 1.3.4 ZnO的电学性质
• 1.3.5 ZnO的其他性质
• 1.4 ZnO材料的应用
• 1.4.1 太阳能电池
• 1.4.2 激光器
• 1.4.3 电子器件
• 1.4.4 气敏器件
• 1.5 本论文的主要工作及论文结构
• 第二章 水热法制备ZnO粉体材料的工艺设计
• 2.1 ZnO粉体材料的制备方法
• 2.1.1 固相反应法
• 2.1.2 化学沉淀法
• 2.1.3 喷雾热分解法
• 2.1.4 溶胶-凝胶法
• 2.1.5 水热法
• 2.2 实验设备及主要原料
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 主要原料
• 2.3 实验流程
• 2.4 样品结构与性能的表征
• 2.4.1 样品的晶体结构测试
• 2.4.2 样品的形貌测试
• 2.4.3 样品的发光特性表征
• 2.5 本章小结
• 第三章 水热法制备ZnO及其结果分析
• 3.1 正交设计相关知识
• 3.1.1 因素及水平
• 3.1.2 实验方法综述
• 3.2 工艺设计
• 3.2.1 正交表因素及水平的选定
• 3.2.2 正交实验表的确定
• 3.3 实验结果分析与讨论
• 3.3.1 样品的XRD分析
• 3.3.2 样品的扫描电镜分析
• 3.3.3 ZnO晶体的生长机理
• 3.3.4 水热反应中各因素的影响作用
• 3.4 本章小结
• 第四章 Co和Mn掺杂ZnO的制备及其结果分析
• 4.1 Co、Mn掺杂ZnO实验设计
• 4.1.1 实验方案设计
• 4.1.2 实验流程
• 4.2 样品的XRD测试结果及分析
• 4.2.1 Co掺杂ZnO的XRD分析
• 4.2.2 Mn掺杂ZnO的XRD分析
• 4.3 样品的SEM测试结果及分析
• 4.3.1 Co掺杂ZnO的SEM及分析
• 4.3.2 Mn掺杂ZnO的SEM及分析
• 4.4 样品的PL谱测试结果及分析
• 4.4.1 ZnO的发光理论
• 4.4.2 Co掺杂ZnO的PL谱测试结果及分析
• 4.4.3 Mn掺杂ZnO的PL谱测试结果及分析
• 4.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢