激光制备氧化锌纳米材料及其激光辐照效应研究

论文摘要

氧化锌是宽带半导体材料,具有很高的激子束缚能,在紫外探测、光电子器件、LED、LD等领域极具开发和应用价值。近年来,随着纳米技术的发展以及对器件微型化的要求,氧化锌纳米材料的制备及其光电性能的研究成为世界范围内的新热点。本论文介绍以先进的激光技术为手段,将其应用到氧化锌纳米材料制备和性能改善的研究。首先,采用脉冲激光溅射沉积技术在蓝宝石衬底上制备了氧化锌薄膜,并详细讨论了工艺参数如沉积温度、氧压对氧化锌薄膜性能的影响,获得了制备氧化锌薄膜的最佳工艺条件。其次,系统地研究了氧化锌薄膜的激光辐照效应,发现:采用248 nm波长KrF准分子激光辐照可以大幅度提高室温下氧化锌薄膜的紫外光致发光谱强度,薄膜表面的导电性能提高了三个数量级,薄膜晶粒熔融长大,表面粗糙度大大降低。研究表明,KrF准分子激光与氧化锌薄膜相互作用时,热效应和光化学效应同时存在。导电性能和紫外光致发光谱强度的提高主要源于光化学效应的影响:KrF准分子激光的光子将薄膜的Zn-O键打断,O蒸发到空气中,导致了薄膜内浅施主能级缺陷氧空位的急剧增多。结合氧化锌晶体的激光辐照结果,推测采用脉冲激光溅射沉积技术制备的氧化锌薄膜室温下紫外发光主要起源于束缚在氧空位施主能级上的束缚激子复合发光。KrF准分子激光辐照产生的热效应影响则使得薄膜表面形貌发生了深刻变化,晶粒熔融长大,重结晶,表面粗糙度大大降低。此外,采用波长为1064 nm的Nd:YAG脉冲激光烧蚀法制备了具有良好紫外发光性能的球形氧化锌纳米胶体颗粒,直径在50～100 nm之间,分别以YAG和KrF准分子激光为烧蚀光源制备了不同尺寸的球形银纳米胶体颗粒,研究了不同尺寸下纳米银颗粒的发光性能。初步讨论了脉冲激光烧蚀制备纳米颗粒的烧蚀机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氧化锌的晶体结构
• 1.3 氧化锌的晶格动力学特征
• 1.4 氧化锌的固有缺陷
• 1.4.1 氧化锌的能带
• 1.4.2 缺陷的能级
• 1.4.3 缺陷对导电性的影响
• 1.5 氧化锌的发光原理
• 1.5.1 自由激子复合发光
• 1.5.2 束缚激子复合发光
• 1.6 氧化锌薄膜的制备技术
• 1.6.1 分子束外延法
• 1.6.2 脉冲激光溅射沉积法
• 1.6.3 金属有机化学气相沉积法
• 1.6.4 磁控溅射法
• 1.7 氧化锌薄膜发光机制的研究进展
• 1.7.1 紫外发光机制
• 1.7.2 可见光发光机制
• 1.8 氧化锌薄膜的应用
• 1.8.1 紫外光探测器
• 1.8.2 声表面波器件
• 1.8.3 其他方面的应用
• 1.9 氧化锌薄膜的研究展望
• 1.10 激光与物质相互作用研究
• 1.10.1 热效应激光蒸发
• 1.10.2 光化学效应激光蒸发
• 1.10.3 激光辐照改变功能材料的物理性质
• 1.11 氧化锌纳米颗粒的制备进展
• 1.12 本论文的工作
• 第2章 氧化锌纳米材料的制备及表征方法
• 2.1 脉冲激光溅射沉积法制备薄膜
• 2.2 激光器的选用及激光辐照实验装置
• 2.2.1 KrF 准分子激光器及辐照系统
• 2.2.2 YAG 三倍频准连续激光器及辐照系统
• 2.2.3 绿光激光器及辐照系统
• 2 激光器及辐照系统'>2.2.4 CO₂激光器及辐照系统
• 2.3 脉冲激光烧蚀法制备纳米颗粒
• 2.4 功能材料的表征方法
• 2.4.1 X 射线衍射
• 2.4.2 X 射线光电子能谱
• 2.4.3 原子力显微镜
• 2.4.4 扫描电子显微镜
• 2.4.5 透射电子显微镜
• 2.4.6 拉曼光谱
• 2.4.7 光致发光谱
• 2.4.8 导电性测量
• 2.4.9 载流子浓度测量
• 2.5 本章小结
• 第3章 氧化锌薄膜的制备及性能研究
• 3.1 氧化锌薄膜的制备
• 3.2 沉积温度对氧化锌薄膜的影响
• 3.2.1 结晶状况和结构分析
• 3.2.2 表面形貌
• 3.2.3 拉曼光谱分析
• 3.3 氧压对氧化锌薄膜的影响
• 3.3.1 结晶状况和结构分析
• 3.3.2 表面形貌
• 3.3.3 拉曼光谱分析
• 3.3.4 光致发光光谱
• 3.4 退火对氧化锌薄膜的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 氧化锌薄膜的激光辐照效应
• 4.1 激光辐照前氧化锌薄膜的性能
• 4.2 KrF 准分子激光辐照氧化锌薄膜导电性研究
• 4.2.1 激光辐照功率对导电性的影响
• 4.2.2 激光脉冲数对导电性的影响
• 4.2.3 导电性能稳定性研究
• 4.3 其他波长激光辐照氧化锌薄膜的研究
• 4.4 KrF 准分子激光辐照增强导电性机理研究
• 4.5 KrF 准分子激光辐照对氧化锌薄膜表面状态的影响
• 4.6 KrF 准分子激光辐照对氧化锌薄膜光致发光性能的影响
• 4.6.1 激光辐照对紫外PL 谱的影响
• 4.6.2 紫外PL 谱增强机理分析
• 4.6.3 紫外发光起源的讨论
• 4.7 可见光发射机理探讨
• 4.7.1 不同可见发光性能氧化锌薄膜的PL 谱
• 4.8 本章小结
• 第5章 氧化锌纳米颗粒及金属纳米颗粒的激光制备
• 5.1 氧化锌纳米颗粒的制备
• 5.1.1 脉冲激光烧蚀法制备氧化锌纳米颗粒
• 5.1.2 液相氧化锌纳米颗粒的 PL 谱
• 5.1.3 烧蚀机制
• 5.1.4 氧化锌液相纳米颗粒 PL 谱与薄膜 PL 谱的区别
• 5.2 金属银纳米颗粒的制备
• 5.2.1 脉冲激光烧蚀法制备银纳米颗粒
• 5.2.2 银纳米颗粒的光学性能
• 5.2.3 银纳米颗粒的 SERS 活性
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和获奖情况
• 致谢