ZnO及其掺杂纳米结构的气相合成及光致发光性能研究

摘要

准-维纳米材料,包括纳米线、纳米棒、纳米针、纳米管、纳米带、纳米同轴电缆和异质结等是当前纳米材料科学领域的前沿和热点.在这些材料中,氧化物半导体-维纳米材料又受到了特殊的关注,这不仅是因为形态各异的纳米结构被不断制备出来,更因为以这些纳米结构为原型的纳米器件在光、电、磁、热、传感等领域有着广泛的应用前景.虽然准-维纳米材料的合成在近几年取得了很大的进展,但如何在形貌、结构、成分上实现可控制备仍是一个很大的挑战.本文以ZnO-维纳米材料为主要研究对象,从可控制备、掺杂和复杂结构出发进行了一系列有益的尝试,具体包括以下几个方面: 1.ZnO纳米梳状结构的合成、表征、生长机制与光致发光特性研究我们用简单的热蒸发方法在氩/氧气氛下合成出了高产率的单晶ZnO梳状纳米结构,实验过程中未采用催化剂.产物的结构,形貌和光致发光性质分别用X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和He-Cd激光器进行了测试.结论如下: (1)ZnO梳柄宽40-500nm,长5-20μm,朝[1010]方向生长,而外延的梳齿宽10-20nm,长几微米,生长方向为[0001].透射电镜显示在梳齿的两侧存在一些非周期性排列的小缺口,可能是由于缺口内部不规则原子排列所致.在室温下的光致发光谱上我们观察到了两个发光峰,位于384rim和492nm处,分别对应着紫外峰和绿光峰. 2.ZnO纳米阵列的可控制备、表征、生长机制与光致发光特性研究我们用热蒸发方法在没有添加催化剂的条件下,通过蒸发Zn粉末、二乙基锌粉末,利用不同的实验条件在普通Si衬底上得到了形貌不同的ZnO纳米棒阵列和纳米钉阵列.在阵列生长之前,一层自组装的ZnO薄膜首先在Si衬底上形成.SEM照片显示两种ZnO阵列的直径都在150到200nm之间,长度可达几微米.从透射电镜观察可以知道这两种ZnO纳米结构都是六方纤锌矿结构的纯单晶,并且都是沿着[0002]方向生长.由于实验条件的改变,导致两种阵列按照不同的机制生长:ZnO纳米棒阵列对应于VS(气一固)机制;而ZnO纳米钉阵列则按照自催化vLS机制(Self-Catalytic VLS)生长.室温下光致发光测量表明:ZnO纳米棒阵列仅有一个紫外峰,相对于ZnO纳米钉阵列有着更好晶体质量和光学性质,并且纳米棒的端面非常平整,非常有利于产生受激辐射,因此在激光发射和场发射器件方面有着重要的应用前景. 3.三元氧化物ZnGa<,2>O<,4>超晶格纳米线的合成、生长机制和光致发光性能研究我们用气相输运法高温蒸发金属Zn和Ga的混合粉末,成功合成出大量的具有立方尖晶石结构的单晶.ZnGa<,2>O<,4>超晶格纳米线.SEM照片显示这些纳米线的几何形状都比较规则,直径在50到120nm,长十几微米.TEM照片显示这些纳米线都是笔直、光滑的表面并且沿着[222]方向生长.HRTEM和SAED照片显示了ZnGa<,2>O<,4>(Ga/Zn-P)<,4>超晶格结构存在于这些纳米线中.我们用气一固(VS)机制解释了ZnGa<,2>O<,4>超晶格纳米线的自组装生长.室温下光致发光谱表明ZnGa<,2>O<,4>纳米线有三个蓝光峰位于421、443和472nm处,分别来自于Ga-O原子自激发中心,Ga<'3+>离子在镓氧空位对(Vo,V<,Ga>)传输和电子空穴的再复合.并且由于量子阱的存在而导致了发光峰的蓝移.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2纳米材料的基本性质

1.2.1量子尺寸效应

1.2.2表面效应

1.2.3小尺寸效应

1.2.4宏观量子隧道效应

1.2.5库仑阻塞和量子隧穿

1.2.6介电限域效应

1.3准一维纳米材料的研究进展

1.3.1准一维纳米材料的制备

1.3.2人工组装的纳米结构的性能

1.3.3准一维纳米材料的发展趋势

1.4本论文的选题背景与研究内容

1.4.1选题背景

1.4.2研究内容

第二章实验装置、原理与表征技术简述

2.1实验装置简介

2.1.1实验设备简介：

2.1.2实验装置示意图

2.2实验原理

2.3实验操作规程

2.4表征方法简介

2.4.1形貌分析

2.4.2成分分析

2.4.3物性分析

第三章ZnO纳米梳状结构的合成、表征与发光性能研究

3.1引言

3.2实验过程和测试

3.3结果与讨论

3.3.1 ZnO梳状纳米结构的形貌

3.3.2 ZnO纳米梳的结构与成份

3.3.3 ZnO梳状纳米结构的的生长机制

3.3.4 ZnO梳状纳米结构的光致发光性能

3.4本章小结

第四章ZnO纳米阵列的可控制备、表征与光致发光性能研究

4.1引言

4.2实验过程

4.3结果与讨论

4.3.1 ZnO纳米棒阵列的形貌

4.3.2 ZnO纳米棒阵列的结构与成分

4.3.3 ZnO纳米棒阵列的生长机制

4.3.4不同实验条件下得到的产物形貌图对比

4.3.5 ZnO纳米棒阵列和纳米钉阵列的光致发光性能

4.4本章小结

第五章单晶ZnGa2O4超晶格纳米线的自组装生长与光致发光性能研究

5.1引言

5.2实验过程

5.3结果与讨论

5.3.1 ZnGa2O4超晶格纳米线的形貌

5.3.2 ZnGa2O4超晶格纳米线的结构与成分

5.3.3 ZnGa2O4超晶格纳米线的生长机制

5.3.4 ZnGa2O4超晶格纳米线的光致发光性能

5.4本章小结

全文总结

参考文献：

硕士期间发表的论文