多足和盘状ZnO及ZnO（PbS）/碳纳米管异质纳米结构的光电特性研究

摘要

本论文的研究结果概括如下： 1.SOI衬底上生长的多足状纳米ZnO的光致发光与受激发射采用热蒸发法，在没有催化剂的条件下，在SOI衬底上成功制备了多足状三维ZnO纳米结构。通过光致光谱研究了纳米结构的发光特性，发现样品具有相当强的绿光发射和较弱的紫外光发射，这表明样品中含有大量的氧空位或表面态。样品经过乙醇表面处理后，紫外发光强度明显增强，这是由于样品表面吸附的氧分子所导致的。在变温的光致发光谱中，紫外发光显示了一个不寻常的发光现象：在50-120 K温度范围内，紫外发射积分强度随温度的升高而增加，这与在无序的多孔硅体系中发现的不寻常发光行为非常类似，进一步反映了多足状ZnO中含有丰富的表面态。另外，尽管样品晶体质量不完美，仍然可以在3.23 eV左右观测到紫外激光发射，受激发射可能归咎于激子．激子碰撞的辐射复合。这种分级的三维纳米结构在多端纳米传感器等方面具有应用价值。 2.SOI衬底上垂直生长的六角ZnO纳米盘的紫外激光发射和时间分辨光谱采用热蒸发法，在没有催化剂的条件下，直接在SOI衬底表面首次生长得到垂直于衬底表面的二维ZnO盘状纳米结构。所制备的ZnO纳米盘，均是六方纤锌矿结构的单晶，呈六边形结构，对角线的长度和厚度分别介于0.8~3 μm和1 0-20 nm之间，厚度相对于对角线而言是非常薄的，因此具有超薄的形貌特征。采用飞秒和皮秒激光器对ZnO纳米盘进行了受激辐射和时间分辨光谱的研究，第一次在这种六角盘状ZnO纳米结构中观测到紫外激光发射，激光发射的中心波长在385 nm(3.22 eV)左右，受激辐射的阀值能量密度为205 μJ/cm2。通过对样品的激光机制的分析，发现六角纳米盘的受激辐射来自于纳米盘自身构成的谐振腔，谐振腔中回音壁式(WGM)激光模式占主导地位。通过对样品的时间分辨光致发光谱的研究，结果表明：当泵浦光强低于阀值激发时，时间分辨光谱能够用双指数衰减模型拟合得到的两个寿命分别为68 ps和376 ps。当泵浦光强高于阀值激发时，时间分辨光谱主要由一个寿命为2 ps的衰减过程决定。这种ZnO盘状纳米结构可望用来制作纳米激光器。 3.液相法制备的Zno(PbS)量子点／多壁碳纳米管异质结构的光电转换特性的研究通过简单的液相法将ZnO量子点直接组装到多壁碳纳米管(MWCNT)的表面，成功地构筑了新颖的-维异质结构。这种直接组装的方法能够较好的保持MWCNT原有的结构和独特光电性能。通过对样品的光致发光谱的研究，发现MWCNT能够有效地猝灭ZnO量子点的发光，进一步分析表明处于激发态的ZnO量子点与MWCNT之间存在电荷转移相互作用。并且，在365 nm紫外光照射下，由ZnO／MWCNr异质结构形成的薄膜电极显示了良好的可重复的光电流响应特性.有趣的是，由于MWCNT的引入导致了ZnO纳米颗粒薄膜电极的光电流增加了2 倍，这进一步证实两者之闻确实存在光诱导电荷转移，也反映了这种一维异质结构具有较强的电荷分离和传输能力。基于ZnO／MWCNT异质结构的设计思路，PbS量子点也被成功地组装到MWCNT的表面，形成PbS／MWCNT异质结构。研究发现通过改变反应条件可以控制异质结构中量子点的尺寸、形状和覆盖密度，并且PbS量子点与MWCNT之间也存在光诱导电荷转移。这种新颖的半导体量子点／多壁碳纳米管杂化结构可望应用于光电转换器件领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 ZnO纳米材料特性

1.3 ZnO纳米结构的制备方法

1.4 ZnO纳米结构的器件应用

1.5本论文的主要工作及创新点

参考文献

第二章在SOI衬底上生长的多足状纳米ZnO的光致发光与受激发射研究

2.1引言

2.2半导体光致发光和激光的基本理论

2.3多足状纳米ZnO样品的制备

2.4多足状纳米ZnO的结构和形貌表征

2.5多足状纳米ZnO的拉曼散射的研究

2.6多足状纳米ZnO的光致发光的研究

2.7多足状纳米ZnO的紫外激光发射的研究

2.8本章小结

参考文献

第三章在SOI衬底上生长的六角ZnO纳米盘的紫外激光发射和时间分辨光谱研究

3.1引言

3.2六角盘状纳米ZnO的制备

3.2六角盘状纳米ZnO的结构与形貌表征

3.3六角盘状纳米ZnO的光致发光的研究

3.4六角盘状纳米ZnO受激发射的研究

3.5时间分辨光谱研究

3.6本章小结

参考文献

第四章液相法制备的ZnO(PbS)量子点/多壁碳纳米管异质结构的光电特性的研究

4.1引言

4.2 ZnO/MWCNT异质结构的制备

4.3 ZnO/MWCNT异质结构的表征

4.4 ZnO/MWCNT异质结构的光致发光的研究

4.4 ZnO/MWCNT异质结构的光电流响应特性的研究

4.5 PbS/MWCNT异质结构光电特性的研究

4.6本章小结

参考文献

第五章总结

攻读博士学位期间取得的成果

致谢