宽禁带半导体材料—ZnO、TiO和金刚石的制备及发光性能研究

摘要

宽禁带半导体材料的研究和突破，带来了新的技术革命和新兴产业的发展，也促进了信息技术的飞速发展。相对于SiC和GaN，ZnO、TiO2和金刚石是三种新型的宽禁带半导体材料。这三种材料具有更优异的光学、电学等性能，因此在各个领域都具有潜在的应用前景。目前对这三种材料的研究（尤其是发光性能）还处于起步阶段。本文采用多种表征手段研究了这三种宽禁带半导体材料及其掺杂薄膜的发光性能。主要工作内容如下：
　　 ⑴采用水热法制备获得了多晶纤锌矿ZnO纳米棒，荧光光谱中除了观察到与近带边发射有关的390nm的发射峰之外，还有一个中心位于570nm的宽峰，通过对制备条件与光谱的变化关系分析以及变温光谱的测量，我们认为这个峰主要是由ZnO表面的Zn（OH）2或氢氧根造成的。采用溶胶-凝胶法和磁控溅射法分别制备了过渡金属Mn和Cr掺杂的ZnO薄膜，发现这两种离子掺杂之后都使ZnO的晶格常数发生了变化，这是由于掺杂离子半径与Zn2+半径不一致所造成。此外，过渡金属进入ZnO晶格中之后，由于ZnO和金属离子的sp-d轨道杂化耦合作用，使价带上移导带下移，从而使ZnO带隙变窄。荧光光谱也发现这两种材料掺杂之后对ZnO的本征和缺陷峰都有一定的抑制或增强作用，Mn掺杂的ZnO薄膜还观察到415nm发射峰，对应MnZ+的4A1（G）→6A1（S）的跃迁。
　　 ⑵采用溶液法和溶胶-凝胶法分别制备了不同尺寸的TiO2纳米晶和Fe掺杂TiO2薄膜，实验结果表明：当退火温度低于650℃时，制备的TiO2纳米晶只有锐钛矿结构，当温度高于650℃，一部分锐钛矿TiO2转变为金红石结构。随着退火温度的增加，制备的样品颗粒变大，带隙变窄。荧光光谱得到一个宽峰在350nm～550nm，主要由400nm左右的近带边发射峰和480nm与O空位或表面态有关的缺陷峰组成。随着退火温度的提高，宽峰发生红移，可能与量子尺寸效应和金红石相TiO2的双重作用有关。Fe掺杂之后，TiO2薄膜没有产生杂相，但使TiO2的晶格常数变小，Fe的掺杂减弱了TiO2的发射。
　　 ⑶对直流等离子体喷射化学气相淀积法制备的自支撑金刚石薄膜的发光性能进行了研究。荧光光谱得到两个主要的发射峰在440nm和530nm，分别与位错缺陷和氮-空位的复合有关。此外，我们还研究了热丝化学气相淀积法制备的硼掺杂金刚石薄膜的光学性能，荧光光谱采用多峰值拟合，发现440nm左右的发射峰随着硼掺杂浓度的增加而增强。
　　 ⑷总结了这三种材料的发光性能及掺杂之后对基质材料带隙的调控和发光性能的影响。