氧空位对ZnO纳米材料可见光区发光的影响

摘要

ZnO作为一种重要的多功能直接宽带隙半导体材料，因具有较高的激子束缚能，加之ZnO对生物无毒害，对环境友好，使其成为半导体发光材料的研究热点。ZnO纳米材料的发光主要来自紫外区的近带边发射和可见光区的蓝绿光发射，紫外光的发射是带间跃迁引起的，而对蓝绿光的发射过程一直没有一致的认识。我们研究了氧分压对ZnO纳米材料的氧空位及蓝绿光发射的影响，与此同时我们也分别研究了在H2、O2中退火后的ZnO纳米材料氧空位浓度及蓝绿发射的变化。本文采用简单化学气相沉积法（CVD），以Au为催化剂，成功地在硅衬底制备出ZnO纳米材料，开展了氧空位浓度与蓝绿光发射关系的相关研究。主要研究结果如下：
　　（1）氧分压对ZnO纳米材料中氧空位浓度的影响
　　在不同的氧分压下，成功的制备出了ZnO纳米阵列。不同氧分压下制备的ZnO在Raman光谱的图谱中均在583cm-1出现了与氧空位有关的Raman特征峰。EDS检测结果表明，ZnO纳米材料的Zn:O原子比随着氧分压的提高而降低，推断出氧空位浓度随氧分压的提高而降低。
　　（2）分别在H2、O2气氛中退火对ZnO纳米材料的氧空位浓度的影响
　　将已制备的ZnO样品放在H2氛围中，温度为500℃的条件下进行退火，然后对其进行表征。EDS检测结果表明在H2气氛中进行退火后ZnO样品中含氧量降低，推断在H2中退火可以提高样品氧空位浓度。然后将在H2气氛中退火处理后的ZnO样品放入O2中，800℃退火120min，并对其进行表征。Raman光谱在583cm-1出现与氧空位有关的Raman特征峰，说明在O2退火后样品中依然存在氧空位。EDS检测结果表明在O2气氛中退火处理后样品的含氧量提高，推断在O2中退火可以减小样品的氧空位浓度。
　　（3）氧分压及在H2气氛中退火处理对ZnO发光特性的影响
　　首先，对比研究了不同氧分压对ZnO纳米材料可见光发射的影响。样品的荧光光谱测试结果表明：蓝光的发射峰（470nm）随着氧分压的提高而减弱，推断位于470nm处的蓝光发射主要来自浅施主能级中的电子向氧空位形成的受主能级(VO+)的跃迁。然后对比研究在H2气氛中退火处理后的ZnO纳米材料的蓝光发射的变化。SEM图片和XRD谱图显示，ZnO纳米材料在H2中退火不会改变样品的形貌和晶体结构。样品的荧光光谱结果表明，在H2气氛中退火处理后的样品的蓝光发光峰强度与原样的蓝光发光峰强度比，都有不同程度的提高，进一步证实了位于470nm处的蓝光发射主要来自浅施主能级中的电子向氧空位形成的受主能级的跃迁。
　　（4）在O2气氛中退火处理对ZnO纳米材料发光特性的影响
　　选两组典型的氧空位浓度的ZnO样品，分别在固定氧空位浓度下对比研究在O2中退火处理对蓝光发射的影响。SEM图片显示，在O2中退火处理对样品的形貌基本没有影响。Raman表明：O2/Ar流量比为4:196制备的样品在O2中退火前后均能探测到与氧空位有关的特征峰；而O2/Ar流量比为8:192制备的样品在O2中退火后样品探测不到与氧空位有关的特征峰。样品的荧光光谱测试结果表明：O2/Ar为8:192制备的材料氧空位浓度低，当样品在氧气中退火时有部分氧扩散进入晶格使得退火处理后的荧光光谱中与氧空位有关的蓝绿光发射峰（470nm）消失。而O2/Ar为4:196制备样品材料氧空位浓度比较高，即使当样品在氧气中退火时有部分氧扩散进入晶格中，退火后的样品中依然存在一定量的氧空位。所以O2/Ar为4:196制备材料在O2中退火处理后的荧光光谱中依然会出现与氧空位有关的蓝绿光发射峰（470nm）。同时在氧气氛围退火时，氧气扩散进入晶格间隙，在PL谱的510nm处出现了一个与间隙氧有关的蓝绿光发射峰。
　　本论文通过有意识的设计试验，成功的探索出了有效调控ZnO纳米材料氧空位浓度的方法，并证实了470nm的对应的荧光峰来自浅施主能级中的电子向氧空位的跃迁，为探索ZnO纳米材料紫外-可见光发射的调控机理提供了理论分析和实验基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 纳米材料概述

1.2 ZnO的基本性质

1.3 ZnO纳米材料的发光性质的研究现状

1.4 本论文的研究研究意义、目的及主要内容和章节安排

参考文献

第二章 实验方法及实验设备

2.1 实验原料来源及衬底清洗方法

2.2 制备方法及实验装置

2.3 本文采用的表征手段及方法

参考文献:

第三章 氧分压及分别在H2、O2气氛下退火对ZnO纳米材料氧空位浓度影响

3.1 引言

3.2 氧分压对ZnO纳米材料氧空位浓度的影响

3.3 在H2氛围下退火对ZnO纳米材料氧空位浓度的影响

3.4 在O2氛围下退火对ZnO纳米材料氧空位浓度的影响

3.5 本章小结

参考文献：

第四章 氧分压及在 H2氛围下退火对 ZnO 纳米材料蓝绿光发射的影响

4.1 引言

4.2 氧分压对ZnO纳米材料的发光特性的影响

4.3 在H2氛围下退火处理对ZnO纳米材料的蓝光发射的影响

4.4 本章小结

参考文献:

第五章 在 O2退火处理对 ZnO 纳米材料发光特性的影响

5.1 引言

5.2 在O2中退火对氧空位浓度较高的ZnO材料发光特性的影响

5.3 在O2中退火对氧空位浓度较低的ZnO材料发光特性的影响

5.4 本章小结

参考文献：

第六章 总结展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢