稀土元素(La、Ce、Nd)摻雜ZnO薄膜的光學(xué)和氣敏性能.pdf

1、ZnO作為第三代多功能寬禁帶半導(dǎo)體越來越引起人們的重視。本文采用射頻磁控濺射的方法成功制備了不同稀土元素(La、Ce、Nd)摻雜的ZnO薄膜。通過X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、原子力學(xué)顯微鏡(AFM)、紫外-可見分光光度計、熒光分光光度計、氣敏測試儀和光催化性能測試儀系統(tǒng)研究了稀土摻雜含量、稀土核電荷數(shù)以及襯底傾斜角度對ZnO薄膜組織結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)性能、氣敏性能和光催化性能的影響。
　　結(jié)果表明,隨著稀土

2、 La摻雜含量的增多,薄膜表面的粗糙度逐漸增大,薄膜的禁帶寬度隨著 La摻雜含量的增多而增大,這是由于當(dāng) La替代Zn的位置后,使得決定價帶頂位置的s和d軌道電子相互作用減小,價帶頂向低能方向移動。La摻雜量為1％和2%的薄膜紫外光發(fā)光峰位沒有變化,而當(dāng)La摻雜含量為3%時,ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰發(fā)生明顯藍(lán)移。隨著摻雜含量的增加, ZnO薄膜對甲醛氣體的靈敏度逐漸增加,光催化性能先增加后降低。
　　摻雜不同的稀土元素對ZnO薄膜性

3、能影響也不同,低溫時(T<320℃),Nd摻雜 ZnO薄膜的氣敏性能較其它兩種稀土元素?fù)诫s的ZnO薄膜高,這是由于Nd摻雜ZnO薄膜的表面粗糙度要明顯大于La和Ce摻雜的ZnO薄膜。高溫時(T>320℃),Ce對甲醛氣體的靈敏度最高,這是由于此時薄膜表面趨于平整,+4價的Ce離子能提供更多的電子使得此時Ce摻雜的ZnO薄膜的氣敏性能較La、Nd摻雜的ZnO薄膜高。在紫外光照射下,Ce4+容易俘獲電子形成+3價的Ce離子,降低電子-空穴對

4、的復(fù)合率,有助于提高光催化性能。
　　襯底傾斜不同角度時濺射的薄膜性能也大有不同,襯底垂直濺射的純ZnO薄膜和La摻雜ZnO薄膜的紫外光發(fā)光強(qiáng)度較其它角度沉積的薄膜提高了5倍左右,這是由于此時襯底不受載能粒子正面轟擊,結(jié)晶度最高,薄膜質(zhì)量最好。而襯底傾斜60°時濺射的ZnO薄膜的氣敏和光催化性能最好,因為薄膜表面傾斜島狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生陰影效應(yīng)的增大了薄膜表面的粗糙度。而平行濺射的La摻雜 ZnO薄膜的氣敏和光催化性能最好,這是由于 La