注入产生的Ag纳米颗粒对ZnO薄膜光学性质的影响研究

摘要

本论文重点研究了ZnO薄膜与注入产生的Ag纳米颗粒等离子共振吸收耦合效应对其发光性质的影响。具体研究内容与结果如下:
　　(1)结合磁控溅射技术和后续的热处理在蓝宝石基底上制备了质量较好的150nm厚的ZnO薄膜，随后分别采用42、63和120keV的Ag离子对制备态的ZnO薄膜进行了垂直注入，63keV的Ag离子注入采用了三种剂量，分别为1.0×1016、2.0×1016和5.0×1016cm-2;而42和120keV的Ag的注入剂量固定为2.0×1016cm-2。借助于光致发光谱仪(PL)、紫外-可见光吸收谱仪(UV-Vis)、掠角X射线衍射(GIXRD)等分析技术详细研究了Ag离子注入对ZnO薄膜的光学性质及结构的影响。研究结果表明，Ag离子注入掺杂在ZnO薄膜中引入了Ag原子和结构缺陷，使其晶格XRD衍射峰明显减弱，同时也产生了杂质能级(AgZn和Agi)和诱导了Ag纳米颗粒的形成。杂质能级的引入，促进了激子复合，进而增强了ZnO的激子峰。并且由于导带电子向AgZn杂质能级的跃迁，使得ZnO薄膜在400、422、435nm出现新的发光峰。此外，Ag纳米颗粒的形成产生的表面等离子共振效应能进一步增强ZnO的激子峰，并通过改变表面局域电场使颗粒表面ZnO的能带结构发生改变，进而使得发光峰红移。
　　(2)首先将能量为42keV的Ag离子垂直注入到蓝宝石基底中以形成Ag纳米颗粒，Ag离子剂量分别为1.0×1016和2.0×1016cm-2，然后利用脉冲激光沉积技术在Ag离子注入的基底表面沉积ZnO薄膜其厚度约为150nm。借助于UV-Vis和PL分析技术研究了纳米颗粒形成对表面ZnO薄膜的光吸收和发光性质的影响。UV-Vis光吸收测量结果显示，Ag注入样品出现AgNPs等离子共振吸收峰。退火使纳米颗粒生长，等离子共振峰增强，同时由于Ag NPs与ZnO距离较近，AgNPs的电子向ZnO传递，自身电子密度减小，使AgNPs的表面等离子共振峰红移。Ag NPs表面较强的局域电场影响了ZnO的能带结构，造成ZnO的激子吸收峰红移，并使吸收峰显著增强，部分激子发光峰红移至400nm左右，在PL谱中与激子峰叠加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 氧化锌的结构与光学性质

1．3 ZnO薄膜的制备方法

1．3．1 磁控溅射技术(Magnetron-Sputtering)

1．3．2 脉冲激光沉积(PLD)

1．3．3 分子束外延(MBE)

1．3．4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

1．3．5 化学气相沉积法(CVD)

1．4 ZnO薄膜的掺杂研究

1．5 金属纳米颗粒的合成与应用

1．6 本论文的选题意义和主要工作

第二章 基础理论介绍

2．1 离子注入原理

2．2 Mie理论与M-G理论

2．2．1 Mie理论

2．2．2 M-G理论

2．3 表面等离子体共振(SPR)

第三章 样品的制备及测试方法

3．1 样品的制备

3．1．1 Ag离子注入掺杂ZnO薄膜的样品

3．1．2 ZnO-Ag NPs耦合样品

3．2 主要测试方法及原理介绍

3．2．1 荧光光谱测试仪(PL)

3．2．2 紫外—可见分光光度计(UV-Vis)

3．2．3 掠入射X射线衍射仪(GIXRD)

3．2．4 扫描电子显微镜(SEM)

第四章 Ag离子注入掺杂ZnO薄膜的发光性质研究

4．1 ZnO薄膜样品PL与SEM结果与分析

4．2 ZnO薄膜掺杂后的PL结果与分析

4．3 ZnO薄膜掺杂前后的GIXRD结果与分析

4．4 ZnO薄膜掺杂前后的UV-Vis光吸收谱与分析

4．5 退火对掺杂后的ZnO薄膜发光性质影响

4．6 本章小结

第五章 ZnO-Ag NPs耦合对ZnO发光性质的影响研究

5．1 PLD制备的ZnO薄膜PL与SEM结果与分析

5．2 基底中注Ag的ZnO薄膜UV-Vis光吸收谱与PL结果与分析

5．3 退火对样品光学性质的影响

5．4 本章小结

第六章 总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢