ZnS纳米晶的制备及光学性能研究

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近年来,由于纳米尺寸的II-VI半导体化合物所表现出来的一些新颖的光学和电学特性而引起了人们的广泛兴趣。ZnS是一种重要的II-VI化合物,由于其具有比较宽的禁带宽度,是一种重要的光电子器件材料,特别是作为一种发光材料而得到重要的应用。为了使ZnS纳米发光材料全色化,提高其发光效率和光电性能,使得ZnS纳米材料发挥更大的优良特性,人们在研究纯ZnS材料的基础上又对掺杂的ZnS纳米材料进行了广泛地研究,如:掺杂Cu2+和 Mn2+(ZnS:Cu;ZnS:Mn)等。  本文运用两种不同的方法制备了ZnS纳米晶。(一)利用激光分子束外延设备制备了不同条件下的ZnS薄膜纳米晶;(二)利用化学方法制备了Mn掺杂的ZnS粉末纳米晶颗粒。利用 XRD、SEM、荧光分光光度计、紫外可见吸收光谱仪和拉曼光谱仪等测试仪器,对ZnS薄膜和Mn掺杂 ZnS颗粒的结构特性和发光性能进行了系统的研究。主要结论如下:  1.以Al2O3为衬底的ZnS薄膜沿(111)晶向择优生长。随衬底温度的升高,衍射峰强度和半高宽呈现非单调变化,250℃时衍射峰最强且半高宽最小,薄膜具有最好的结晶质量,此时晶粒尺寸为21.73 nm;同时还发现薄膜在可见光区的透射率比较高,吸收峰也较陡峭,在这个温度带隙宽度也最大,约为3.7 eV。PL谱表明发光峰在414 nm—460 nm,为蓝光发射带。随着温度的升高,发光变强变宽,250℃时发光最强。  2.以玻璃做衬底的薄膜主要沿(111)晶向择优生长,同时也出现了(311),(220)晶向的衍射峰。在250℃时,ZnS薄膜沿(111)方向的择优取向最好,衍射峰的强度最强。300℃时,晶粒尺寸最大,但透射率比较低,在可见光区的透射率大约在50%以上。随着衬底温度的升高,透射率逐渐增大,吸收边逐渐变得陡峭。当衬底温度为300℃时,薄膜在可见光的透射率能达到70%以上,并且出现吸收带边蓝移现象。PL谱表明在420-430 nm和517 nm处有两个发光峰。  3.以Si做衬底的ZnS薄膜出现了(111),(311),(220)三种晶向的衍射峰,主要沿(111)晶向择优生长。随衬底温度的升高,在250℃时,峰的强度最强,择优取向最好,300℃时晶粒尺寸最大;由SEM结果可以看到薄膜的晶粒呈柱状生长,表面比较平整,致密。同时PL谱结果表明ZnS薄膜在420 nm和460 nm处出现了两个发光峰。随衬底温度的升高,发光峰强度增强,半高宽变窄,并出现了蓝移现象,这是由于量子尺寸效应引起的。420 nm处的发光是由于ZnS薄膜的S空位造成的。460 nm处的发光是归因为Zn空位发光。  4.运用化学方法制备了ZnS:Mn纳米晶颗粒。研究结果表明所有的样品均为立方结构,其纳米晶的颗粒尺寸大约为15-20 nm。当ZnS纳米晶粒中掺入2.5mol%的Mn时,部分纳米晶颗粒的结构由立方结构变为六角结构。同时研究还发现,418 nm和470 nm的发光峰分别是由于S空位和Zn空位引起的,518 nm处的发光峰可以解释为S空位和Zn空位之间的施主-受主对复合。当掺入2mol%的Mn时橙色发光峰强度最强,半高宽最窄。
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