掺杂氧化锌纳米粉体的制备及其光学性能的研究

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氧化锌作为一种有着3.37eV禁带宽度的半导体,具有高达60emV的激子结合能。因其具有优异的光电性能,在短波长光电器件、光催化、光探测等诸多方面有着很大的应用前景。对于纯氧化锌的研究已有较长一段时间,趋于成熟;近来对氧化锌的掺杂及掺杂后的性质变化的研究成为了新的关注热点。本征氧化锌在实用化过程中还存在一些问题和困难亟待解决,其本征发光强度达不到实际应用水平,发光位置主要为短波长的紫外光,不能满足平面显示所要求的可见光范围。基于这一背景,本论文讨论了Y/Cu掺杂及Y-Cd/Y-Cu共掺杂对氧化锌光学性能方面的影响,在增强氧化锌的紫外发光及深能级发光方向作了一些探索。论文采用了溶胶-凝胶法制备了Y/Cu单掺的ZnO,在此基础上,进一步使用共沉淀法制备了Y-Cd/Y-Cu共掺杂的ZnO。此后,我们对样品进行了XRD测试,证明了样品晶体属于六方纤锌矿结构;进行了XPS检测,证实了掺杂元素在ZnO晶格中的存在;同时对部分样品进行了TEM和FESEM观察,测定了ZnO晶粒的粒径和形貌;并对样品的光致发光性能进行了PL检测。根据结果得出以下结论:1.经过对掺Y样品的XRD分析,得出Y元素在ZnO晶格中的最大固溶度为6.12at%。由样品的PL图谱知道了Y元素对ZnO的紫外发光有很强烈的增强作用,在x(Y)=7at%时,Zn0.93Y0.07O的UV强度达到的纯ZnO的9倍;同时Y元素进入晶格后还能有效的抑制ZnO的深能级发光,Zn0.93Y0.07O的UV发光强度为DLE强度的32倍。2. Cu元素掺入ZnO后,造成ZnO本征紫外发光的削弱,而使得DLE发光增强,我们分析其原因可能是由于在ZnO点阵中生成Cu缺陷中心,撕裂ZnO的能带并俘获载流子,使得电子与空穴的结合困难,ZnO点阵中存在了大量的非辐射激子迁移。当Cu浓度大于5at%时,DLE发光强度高于紫外发光。增强的可见光发射使得Zn1-xCuxO体系有望在光催化方面得到开发应用。3.我们探究了Y-Cd共掺对ZnO样品的PL性能的影响规律。在保持Y浓度不变的情况下,Cd浓度的增加会使得ZnO紫外发光出现明显的红移,但同时发光强度也受到了严重的削弱;而保持Cd浓度不变的情况下,随着Y浓度的增加,ZnO的UV发光逐渐增强,在x(Y)=0.07at%时达到最大;对于同一种样品,我们对其不同的位置进行了PL测试,发现了不同位置的UV发光强度有很大的差别,对于这种现象,我们分析其形成原因主要是在实验过程中的几个步骤可能导致了掺杂元素的分布不均匀;最终我们确定了最佳的掺杂方案为x(Y)=0.07at%,x(Cd)=0.03at%,即为Zn0.90Y0.07Cd0.03O,这时的紫外发射峰的发光强度和位置达到了最佳。4. Y-Cu的共掺细化了ZnO粉体的晶粒尺寸;通过场发射电镜观察了其表面形貌,颗粒为直径在2~3μm左右的毛毛球形状,其绒毛长度为1μm左右,宽度为50~100nm;共掺样品的PL图谱观察到,少量的Cu便对ZnO的UV发光有很强势的抑制作用,同时还增强了样品的可见发光。分析共掺样品的PL形成原因,是由于Y和Cu在对载流子的竞争过程中,Cu俘获载流子的能力大于了Y能提供的载流子能力,从而导致了Y-Cu共掺杂ZnO这种光学现象的出现。
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