氧化锌纳米薄膜制备及掺杂性质研究

摘要

氧化锌(ZnO)作为一种Ⅱ-Ⅵ半导体材料,具备纤锌矿的晶体结构、室温下较大的禁带宽度(3.37eV)和激子结合能(60meV),成为人们近期广泛关注的热点。本论文报道了利用一种新型的气相输运方法在硅质衬底表面制备ZnO纳米薄膜,与常见薄膜制备工艺相比,这种新型的气相输运方法具有成本低廉、操作简单、生成的ZnO纳米薄膜晶体特性和光学特性优异的特点。本实验在传统的气相输运工艺基础上用醋酸锌粉末代替原先的反应原料,使得实验温度大幅下降至500℃左右,让硅作为衬底成为可能。文中也对这种生长过程做了详细的分析介绍。
　　 用此方法制备的ZnO纳米晶粒分布较均匀,但有部分晶粒出现了聚集现象,应该是与生长时间比较长有关；ZnO颗粒的晶体结构是标准的六角纤锌矿结构,平均晶粒尺度约为19nm；薄膜的光致发光图谱由非常强的紫外发光峰(375nm)和较弱的可见光发光峰(500nm)两部分组成,二者分别源自激子复合和薄膜表面氧空穴发光。以上结果表明所得的ZnO纳米薄膜具备合格的晶体结构和晶粒尺寸,以及卓越的发光特性,并且薄膜没有经过任何表面修饰、退火之类的处理即得到如此优秀的特性,这也是该制备方法的优势所在。
　　 此外本实验还尝试着通过这种气相输运方法对ZnO纳米薄膜进行掺杂。在反应原料中加入一定比例的醋酸锰晶体,在设想中这些醋酸锰和醋酸锌在高温下分解所得Mn、Zn原子的混合气体被输运到衬底表面进行合成结晶,Mn元素就自然的掺杂进ZnO晶格中。对按照上述方法制得的Mn掺杂ZnO纳米薄膜进行一系列测试,其结果表明样品具备与未掺杂的ZnO类似的晶体结构,但是光致发光特性却出现了意料之外的特点。Mn掺杂的ZnO在室温下的紫外发射峰随着样品中Mn元素含量的增加,呈现出先红移后蓝移的现象。这是由于只有部分Mn元素进入ZnO晶格,微量的Mn与基质材料之间产生强相互交换作用的缘故。其余的Mn以氧化物的形式存在于薄膜表面,本文还进一步分析了这些遗留在薄膜表面的Mn氧化物对样品在可见光波段发光强度的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 引言

第二节 纳米材料概况

1.2.1 纳米材料简介

1.2.2 纳米材料的物理效应

第三节 ZnO的结构与性质简介

1.3.1 ZnO的晶体结构

1.3.2 Zno的基本物理特性

1.3.3 znO的光学特性

1.3.4 ZnO的电学性质

第四节 ZnO薄膜的制备方法

1.4.1 分子束外延(MBE)

1.4.2 化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)

1.4.3 溶胶凝胶法(Sol-Gel)

1.4.4 溅射法

1.4.5 脉冲激光淀积(PLD)

第五节 ZnO纳米薄膜的掺杂

第六节 ZnO薄膜的应用

1.6.1 透明导电材料

1.6.2 压电材料

1.6.3 压敏材料

1.6.4 气敏材料

1.6.5 发光材料

第七节 本文的研究内容

第二章 气相输运法(VPT)制备ZnO纳米薄膜

第一节 实验仪器

第二节 前期准备工作

第三节 实验过程

第四节 生长过程分析

第五节 生长条件的分析与讨论

2.5.1 盛放反应原料的器具对实验过程的影响

2.5.2 环境气压对实验过程的影响

2.5.3 实验温度对实验过程的影响

第三章 实验样品分析

第一节 ZnO纳米薄膜的光学性质

第二节 Mn掺杂znO纳米薄膜的光学性质

3.2.1 掺杂原理

3.2.2 Mn掺杂znO纳米薄膜的光学性质

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

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