Zn离子注入Al2O3单晶纳米颗粒合成及其光学性质改性的研究

摘要

由于金属纳米颗粒具有独特的性质,在光电子器件、生物传感器等多个领域具有广阔的应用前景。研究金属纳米颗粒的合成、性质及其应用成为目前纳米材料领域关注的重点。高剂量金属离子注入结合各种氛围下的热处理已成为固体材料尤其是氧化物绝缘体材料中合成金属及相关氧化物纳米颗粒的一种重要手段,固体材料中注入纳米颗粒的形成及其注入缺陷的引入不可避免地将对材料本身的性能产生至关重要的影响,因此,研究注入纳米颗粒合成的规律及对材料物性的改变不仅有助于深入认识离子与固体相互作用的基本过程,而且也可为多功能新材料的制备提供实验依据。本论文采用45 keV Zn离子注入Al2O3单晶到剂量1×1017／cm2,借助于紫外-可见光谱仪(UV-Vis)和X射线衍射仪(XRD)详细地研究了Zn纳米颗粒的合成及其在氧气氛围下退火过程中发生的演变；同时采用UV-Vis和光致发光谱仪(PL)研究了纳米颗粒形成以及注入缺陷产生和演变对Al2O3单晶光学性能的影响。通过研究,得到了以下主要研究结果:(1)Zn离子注入Al2O3单晶样品,注入态中就在样品的浅表面区域产生了Zn的纳米颗粒,它导致了波长位于300 nm左右的一个强的等离子共振峰(SPR),随后氧气气氛下的热处理导致了Zn纳米颗粒的生长和逐渐向ZnO纳米颗粒演变,该过程依赖于热处理的温度。研究发现,在400℃退火时,主要是Zn纳米颗粒的生长,而当温度增至500℃时,Zn纳米颗粒开始氧化,形成Zn-ZnO芯壳结构的纳米颗粒。700℃退火则会导致绝大部分Zn纳米颗粒转变成ZnO纳米颗粒。(2)UV-Vis测试结果显示,高剂量Zn离子注入Al2O3单晶除形成Zn纳米颗粒外,在样品的注入区域中同时还引入了大量的缺陷,引起了可见光区域中强吸收带产生,经分析,这些缺陷主要是F2+、F、F22+、F2-色心等,随后的热处理导致这些色心发生了演变和转化,使得可见光区域中光吸收性能逐渐恢复。(3)发光光谱研究结果表明,原始的Al2O3单晶中存在一定量的本征缺陷,它们导致了一个在近紫外区域的发光宽峰,Zn离子注入Al2O3样品导致样品晶格遭到破坏,使得该本征发光峰强度明显减弱,同时在可见光区域(峰位约为550 nm)产生了一个新的较强的发光峰。随后的热处理导致发光峰强度在400-600℃范围内增强。另外就600℃退火情形而言,通过对发光峰的拟合,我们发现了ZnO发光的贡献。借助于注入产生的缺陷及其可能演变对发光现象进行了初步的解释。论文同时还采用卢瑟福背散射(RBS)分析技术对注入Zn原子的深度分布及其在热退火过程的变化进行了研究,结果发现注入Zn原子虽然在退火过程发生了向表面的扩散,但即使在最高的退火温度,大部分Zn原子仍保存了下来。基于该结果以及考虑到退火过程中O原子的扩散对Zn及ZnO纳米颗粒的形成进行了一定的解释。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 纳米材料的研究背景

1.2 纳米颗粒的特殊性能

1.2.1 力学性质

1.2.2 磁学性质

1.2.3 电学性质

1.2.4 热学性质

1.2.5 光学性质

1.2.6 纳米材料的几个特殊效应

1.3 金属纳米颗粒的各种制备方法及其优缺点

1.3.1 溶胶-凝胶法

1.3.2 磁控溅射法

1.3.3 分子束外延法

1.3.4 化学气相沉积法

1.3.5 真空冷凝法

1.3.6 微乳液法

1.3.7 离子注入法

1.4 离子注入蓝宝石的背景及研究现状

1.4.1 蓝宝石的性质

1.4.2 离子注入蓝宝石的研究进展及存在问题

1.5 本论文的主要研究内容

第二章 实验过程及测试手段

2.1 实验样品的选择

2.2 样品的Zn离子注入及离子注入技术基本原理简述

2.2.1 样品的Zn离子注入

2.2.2 离子注入技术的发展及其基本原理

2.2.3 离子注入射程模拟

2.3 热处理过程

2.4 测试手段及其基本原理

2.4.1 X射线衍射仪(XRD)

2.4.2 紫外-可见分光光度计(UV-Vis)

2.4.3 光致发光谱仪(PL)

2.4.4 卢瑟福背散射(RBS)

第三章 A12O3单晶中锌纳米颗粒的合成及演变研究结果及分析

3.1 紫外-可见光反射谱(UV-Vis)的结果及分析

3.2 X射线衍射仪(XRD)的结果及分析

3.3 卢瑟福背散射(RBS)的结果及分析

3.4 结果讨论

3.5 本章小结

第四章 Zn离子注Al2O3单晶样品光学性质的研究结果及分析

4.1 紫外-可见光吸收和透射谱(UV-Vis)的结果及分析

4.2 光致发光谱仪(PL)的结果及分析

4.3 本章小结

第五章 结论和展望

参考文献

致谢