Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响

摘要

稀磁半导体拥有电子的电荷及自旋两大性质。同时利用电子的电荷及自旋特性制作出的光电子器件将对于未来的信息技术的发展产生重大的影响。现在制备稀磁半导体的方法越来越多，如分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、磁控溅射、溶胶-凝胶(Sol-Gel)以及水热法等。
　　ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。它具有很大的禁带宽度及激子束缚能，它们分别能达到3.37eV和60meV。同时一维纳米结构作为ZnO最具有代表性的结构，其具有相当复杂的缺陷能级，这种缺陷对于半导体材料的性能具有很大的意义。因此ZnO纳米材料在一些器件上具有广泛的应用。
　　Mn和Co是目前应用于制作稀磁半导体最广泛的两种元素。本文主要利用水热法制备了Mn掺杂的ZnO基纳米稀磁半导体，并利用XRD（X射线衍射）、SEM（扫描电子显微镜）和PL（光致发光）谱分别对所制样品进行了结构、形貌及光学特性的表征。本文主要从以下四个方面对Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体的特性进行了研究:
　　一、利用水热法制备不同掺杂浓度的Mn掺杂ZnO纳米晶，并分析了掺杂浓度对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响。分析结果表明:不同掺杂浓度的样品都为纤锌矿结构，且其衍射峰都具有明显的c轴取向。随着Mn掺杂量的增加，样品的晶格常数增大，样品的紫外发光峰先红移后蓝移。适当的Mn掺杂能促进ZnO纳米线的横向生长。
　　二、利用水热法制备不同衬底（普通玻璃和ITO玻璃）的Mn掺杂ZnO纳米晶，分析了衬底材料对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响。实验结果表明，衬底材料对生长Mn掺杂的ZnO纳米棒的形貌及光学性质有很大影响，纳米棒的平均直径与衬底密切相关。
　　三、利用水热法制备不同生长时间的Mn掺杂ZnO纳米晶，分析了生长时间对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响。实验结果表明随着生长时间的增加，样品的(002)衍射峰的强度也随之增强。并且随着生长时间的增加，样品的结晶程度增强，纳米棒的直径也随之变大，纳米棒的光致发光强度也随之增强。
　　四、利用水热法制备不同生长温度的Mn掺杂ZnO纳米晶，分析了生长温度对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响。实验结果表明随着反应温度的增加，样品的(002)衍射峰明显增强，并且Mn掺杂的ZnO纳米晶的结晶性能提高。当生长温度较低时样品的结晶质量下降且长出的纳米棒无明显取向，而生长温度较高时结晶质量和纳米棒的取向都将会得到明显的改善。生长温度越高，紫外发光峰越强，纳米晶的缺陷就越少。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 稀磁半导体简介

1．1．1 自旋电子学概念

1．1．2 稀磁半导体的定义及其发展意义

1．1．3 稀磁半导体的研究历史及研究现状

1．2 ZnO基稀磁半导体

1．2．1 ZnO的基本性质

1．2．2 ZnO基稀磁半导体的研究进展

1．3 Mn掺杂ZnO的研究

1．3．1 结构性质

1．3．2 光学特性

1．3．3 磁学性质

1．3．4 目前研究存在的主要问题

1．4 本章小结

1．5 本文的选题依据及主要研究内容

1．5．1 选题依据

1．5．2 本文主要研究内容

2 试剂来源、制备方法及表征手段

2．1 试剂来源

2．2 稀磁半导体的制备方法

2．2．1 溅射法

2．2．2 脉冲激光沉积法(PLD)

2．2．3 分子束外延(MBE)

2．2．4 溶胶-凝胶法(sol-gel)

2．2．5 水热法

2．3 Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体的制备

2．3．1 磁控溅射

2．3．2 水热法

2．4 样品的分析及表征

2．4．1 样品的晶体结构

2．4．2 样品的形貌

2．4．3 样品的发光特性

2．5 本章小结

3 掺杂浓度及衬底对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响

3．1 Mn掺杂ZnO纳米晶的制备

3．1．1 制备过程

3．1．2 生长机理

3．2 掺杂浓度对Mn掺杂ZnO纳米晶的结构、形貌及光学性能的影响

3．2．1 结构分析

3．2．2 形貌分析

3．2．3 光学特性分析

3．3 衬底对Mn掺杂ZnO纳米晶的结构、形貌及光学性能的影响

3．3．1 结构分析

3．3．2 形貌分析

3．3．3 光学特性分析

3．4 本章小结

4 生长温度及时间对Mn掺杂ZnO纳米晶的影响

4．1 实验介绍

4．2 生长时间对Mn掺杂ZnO纳米晶的结构、形貌及光学性能的影响

4．2．1 结构分析

4．2．2 形貌分析

4．2．3 光学特性分析

4．3 生长温度对Mn掺杂ZnO纳米晶的结构、形貌及光学性能的影响

4．3．1 结构分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 光学特性分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢