掺镁氧化锌纳米晶的结构与光学性质

摘要

氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ～Ⅳ族直接带隙宽禁带半导体材料，在室温下其带隙宽度为3.37 eV，具有较高的激子束缚能(60 meV)，有很好的导热、导电及良好的紫外吸收性能，所以在光电子和微电子等应用领域内具有广阔的发展前景。通过Mg掺杂可以起到连续调制ZnO带隙的作用，从而获得更加广泛的应用。本文以掺镁氧化锌MgxZn1-xO纳米晶为研究对象，采用X-射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(Uv-vis)、拉曼光谱(Raman)、光致发光光谱(PL)、等技术，研究了它们的制备生长、晶体结构以及光谱学特性等问题。主要成果如下:
　　1.采用溶胶凝胶法成功制备了掺Mg的MgxZn1-xO(MZO，x=0.00，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10)纳米晶。X衍射分析表明随掺Mg量的逐渐增大，MgxZn1-xO的晶格常数a逐渐增大而c逐渐减小。当Mg含量x达到0.10时，出现了与MgO立方相有关的衍射峰，表明Zn2+被Mg2+取代的最大掺杂量为0.08。
　　2.分别用325、488、514.5、532、632.8和785 nm的激光激发了ZnO纳米晶拉曼光谱。发现用632.8 nm激发时，204和332 cm-1峰呈现较强，而用514.5 nm激光激发时，536 cm-1峰呈现较强。这可能是由于632.8 nm和514.5 nm的激光与带间缺陷能级发生共振效应。
　　3.随着掺Mg量的逐渐增大，原子振动力常数增大，使得99.5，204，379，410，529和579 cm-1处振动模发生蓝移。当Mg含量x增至0.10时，在277 cm-1处出现了与MgO有关的附加模。
　　4.在325 nm波长激发的共振拉曼光谱中，在所有MgxZn1-xO样品中都观察到E1LO及其5级高阶模。随着掺Mg量的逐渐增大，这5阶高阶模发生蓝移，归因于掺Mg导致了电子-声子相互作用中的短程相互作用增强。同时，二级拉曼散射强度与一级拉曼散射强度之比逐渐减小，归因于掺Mg导致了电子-声子相互作用中的长程相互作用减弱。
　　5.紫外吸收光谱表明，随掺Mg量的逐渐增大，MgxZn1-xO的带隙逐渐增大。
　　6.室温下的光致发光谱(PL)表明，MgxZn1-xO样品的发光峰由两部分构成:一个位于紫外区的紫外发光峰;两个位于可见光区的绿色峰和橙色峰。这两个位于可见光区的发射峰为深能级发射(DLE)，与氧缺陷和氧填隙有关。位于紫外区的紫外发光峰为近带边发射(NBE)，随着掺Mg量达到x=0.10，紫外发光峰蓝移到3.40 eV。
　　7.低温16K时的光致发光谱(PL)表明，随着掺Mg量增加到x=0.08时，自由激子发射蓝移到353 nm(3.52 eV)，强度达到最大，同时线宽明显减小，说明掺Mg量为0.08时，紫外发光有最大的发光增益。
　　8.在Mg0.02Zn1-0.02样品中，位于363 nm(3.43 eV)和367 nm(3.38 eV)的发光峰分别对应于含Mg区域和不含Mg区域的自由激子复合峰。在140K以上温度时，含Mg区域中的激子迁移到不含Mg区域，使363 nm处的发光峰淬灭，只存在367 nm(3.38 eV)处的峰。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料

1．2 纳米材料特性与制备方法

1．2．1 纳米材料的特性

1．2．2 纳米材料制备方法

1．2．1 ZnO的物理特性与结构特征

1．3．1 ZnO的物理特性

1．3．2 ZnO的结构特征

1．3 ZnO的掺杂研究现状

1．3．1 ZnO的n型掺杂

1．3．2 ZnO的p型掺杂

1．3．3 ZnO的磁性掺杂

1．4 MgO物理性质

1．5 MgxZn1-xO的研究进展

1．6 本论文研究目的及内容

第二章 实验方案的设计以及研究方法

2．1 实验设计思路

2．2 实验原料

2．3 MgxZn1-xO纳米晶的制备

2．4 相关表征方法

2．4．1 XRD物相分析

2．4．2 X射线光电子谱

2．4．3 扫描电子显微镜

2．4．4 X射线散射能谱

2．4．4 拉曼光谱

2．4．5 吸收光谱

2．4．6 光致发光

第三章 MgxZn1-xO纳米晶性质的研究

3．1 MgxZn1-xO纳米晶的XRD分析

3．2 MgxZn1-xO纳米晶的XPS表征

3．3 MgxZn1-xO纳米晶的SEM和EDS分析

3．4 MgxZn1-xO纳米晶的拉曼光谱分析

3．4．1 不同激发波长的ZnO纳米晶的拉曼光谱

3．4．2 MgxZn1-xO纳米晶的非共振拉曼光谱

3．4．3 MgxZn1-xO纳米晶的共振拉曼光谱

3．5 MgxZn1-xO纳米晶紫外吸收光谱

3．6 MgxZn1-xO纳米晶室温光致发光光谱

3．7 MgxZn1-xO纳米晶低温光致发光光谱

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的论文