氧化锌单晶及激光辐照氧化锌单晶的光谱学研究

论文摘要

本论文工作主要围绕ZnO单晶展开,探索性地采用激光辐照的方法对ZnO单晶进行了处理,并以光致发光（PL）光谱、拉曼散射、布里渊散射为主要表征方法,配合XRD,SEM技术,系统研究了不同激光能量密度下的辐照对ZnO单晶结构及物性的影响。论文首先从ZnO材料的发光性能出发,系统研究了不同激光能量密度下辐照ZnO单晶的结构及表面变化,在此基础上分析了辐照ZnO单晶的PL谱中UV峰和可见发光区内的变化,并对样品中存在的缺陷种类进行了推证。之后采用偏振的方法对在不同退火温度下获得的ZnO单晶样品进行了PL研究,根据锌、氧空位各自所具有的不同极性,尝试通过非拟合的方法,直接获取可见发光区内不同缺陷的发光峰峰型的相关信息。根据在PL谱中观察到的UV峰和DBE发光峰随着激光辐照能量密度的增加而变化,表明样品内部的晶格结构在高能量密度的辐照下将会出现变化。因此采用拉曼散射的方法对激光辐照对晶体结构的影响进行研究。由于激光辐照不会引入外界杂质,这样有助于认清出现在辐照ZnO单晶样品的拉曼光谱中的附加拉曼振动模成因,并为辨别出现在掺杂ZnO材料拉曼光谱中位于相同位置处的附加拉曼振动模的起源机制存在的争议提供了非常有用的信息。此外,随着激光能量密度的增加,拉曼光谱中的基频模E2（high）和位于500-600 cm-1范围内的附加拉曼振动模都在峰强和线宽上出现了明显的变化,且这两者的峰强变化趋势完全相反。因此,以这两个峰作为特征峰,对纵向深度扫描结果进行分析。根据它们的峰强比的变化和扫描深度之间的关系,对激光辐照层的深度进行了估算。通过分析在纯机械应力影响下普通ZnO单晶拉曼光谱的非谐性变化规律,比照在辐照ZnO单晶的拉曼光谱中所观察到的附加拉曼振动模的异常增强,对其产生机制进行了分析,并对晶体中缺陷存在的形式进行了分析。随着ZnO单晶的内部晶格结构的变化,其相应的弹性,压电系数势必将受到影响,并晶体内声速传播也将出现变化。为了保证能在一块样品上测量获得其全部的弹性及压电系数,以保证实验结果的准确性,因此采用布里渊散射的方法研究了248 nm KrF准分子激光在不同激光能量密度下的辐照对ZnO单晶的弹性及压电性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 宽禁带半导体ZnO 的研究意义
• 1.2 ZnO 的基本性质
• 1.2.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2.2 纤锌矿ZnO 的晶格动力学性质
• 1.2.3 ZnO 的能带结构及本征缺陷
• 1.2.4 ZnO 的光学性质
• 1.3 ZnO 材料的制备方法
• 1.3.1 ZnO 单晶及其制备方法
• 1.3.2 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.4 ZnO 的掺杂与改性
• 1.4.1 ZnO 的n 型掺杂
• 1.4.2 ZnO 的p 型掺杂
• 1.4.3 ZnO 的磁性掺杂
• 1.5 激光辐照对功能材料物理性质的影响
• 1.5.1 激光辐照对功能材料的物理性质的影响
• 1.5.2 激光辐照对GaN 材料的物性影响
• 1.5.3 激光辐照对ZnO 薄膜的紫外光致发光性能的影响
• 1.6 本论文的研究目的和主要内容
• 1.6.1 ZnO 光致发光研究中尚待解决的问题
• 1.6.2 ZnO 拉曼光谱研究中尚待解决的问题
• 1.6.3 本研究课题的选取
• 1.6.4 本论文主要内容和论文结构
• 第2章 基本原理与实验方法
• 2.1 光致发光谱的原理
• 2.2 拉曼散射的基本特点
• 2.2.1 晶格振动与声子模式
• 2.2.2 拉曼散射的经典描述
• 2.2.3 散射配置与影响动量守恒的因素
• 2.2.4 拉曼选择定则
• 2.2.5 ZnO 的散射配置计算
• 2.3 布里渊散射的原理
• 2.3.1 布里渊散射的理论基础
• 2.3.2 弹性和压电系数的拟合测量
• 2.4 激光辐照系统
• 2.5 实验中所使用的各种ZnO 单晶的制备方法
• 2.6 样品表征方法与设备
• 2.6.1 共聚焦显微系统
• 2.6.2 拉曼光谱仪
• 2.6.3 变温台
• 2.6.4 JRS-TFP1 型布里渊光谱仪
• 2.6.5 荧光光谱仪器简介
• 2.6.6 X-射线衍射（XRD）
• 2.6.7 扫描电子显微镜
• 第3章 ZnO 单晶的光致发光研究
• 3.1 激光辐照ZnO 单晶的光致发光光谱研究
• 3.1.1 实验条件
• 3.1.2 不同激光能量密度辐照下ZnO 单晶的XRD 光谱分析
• 3.1.3 不同激光能量密度辐照下的ZnO 单晶的SEM 分析
• 3.1.4 辐照ZnO 单晶的室温PL 谱中UV 峰与辐照激光能量密度之间的关系
• 3.1.5 辐照ZnO 单晶的低温PL 谱中UV 峰与辐照激光能量密度之间的关系
• 3.1.6 辐照ZnO 单晶的室温PL 谱中DBE 带与辐照能量密度之间的关系
• 3.2 ZnO 单晶的偏振光致发光光谱研究
• 3.2.1 研究的出发点
• 3.2.2 偏振配置说明
• 3.2.3 在不同退火温度下的ZnO 单晶的偏振PL 谱
• 3.3 本章小结
• 第4章 ZnO 单晶的拉曼散射研究
• 4.1 普通ZnO 单晶的拉曼散射研究
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 ZnO 单晶的室温拉曼散射研究
• 4.1.3 ZnO 单晶的拉曼散射实验结果
• 4.2 激光辐照ZnO 单晶的拉曼散射研究
• 4.2.1 实验条件
• 4.2.2 不同激光能量密度下辐照的ZnO 单晶的拉曼散射研究
• 4.2.3 激光辐照层深度的估算
• 4.3 ZnO 纳米压痕的偏振拉曼散射研究
• 4.3.1 实验介绍
• 4.3.2 ZnO 纳米压痕的偏振拉曼散射研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 激光辐照ZnO 单晶的布里渊散射与弹性和压电系数的测量
• 5.1 实验条件及散射配置的选择
• 5.2 ZnO 单晶相关的弹性及压电系数的计算
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 论文工作总结
• 本论文的创新之处
• 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的学术论文及参与的学术交流活动
• 致谢