金屬摻雜(Pb,Y)對ZnO納米材料的結構、光學和氣敏特性的影響.pdf

1、ZnO是一種II-VI族直接帶隙寬禁帶氧化物半導體,室溫下帶隙寬度為3.37 eV,激子束縛能高達60meV。其納米材料在光發(fā)射二極管和氣敏元件上有重要運用。此外ZnO材料是環(huán)境友好、價格便宜、無毒等特點,因此成為了一種非常受歡迎的納米功能材料。雖然純ZnO材料自身有著優(yōu)良的光、電、化學性能,然而其通常存在著各種本征缺陷,對其光電、氣敏等特性有一定的不利影響?？梢酝ㄟ^生長參數的優(yōu)化、金屬摻雜、表面修飾等方式對ZnO納米材料的結構、缺陷等

2、進行調制,進而達到改性的目的。本論文以磁控濺射制備納米薄膜和靜電紡絲法合成納米粒子為基礎,制備了鉛摻雜ZnO(ZnO:Pb)納米薄膜和釔摻雜ZnO(ZnO:Y)納米粒子,并分別討論金屬摻雜(Pb,Y)對ZnO納米材料的微觀結構、發(fā)光性質以氣敏特性的影響。本論文主要工作有兩部分,分別如下:
　　1.使用射頻反應磁控濺射技術在玻璃襯底上制備了純ZnO和ZnO:Pb薄膜,并采用X射線衍射譜(XRD)、能量色散譜(EDS)、X射線光電子能

3、譜(XPS)和光致熒光發(fā)光譜(PL)等表征技術,重點討論了不同Pb摻雜濃度的ZnO薄膜的微觀結構,元素組成,Pb離子的化學價態(tài)以及光學性質。結果表明:制備的ZnO:Pb薄膜性質明顯被Pb的摻雜濃度所影響。XRD測試表明隨著Pb摻雜濃度的增加, ZnO薄膜由混合生長轉變成非極性生長;XPS譜分析發(fā)現Pb以+2和+4混合價態(tài)成功的摻入ZnO薄膜中;同時隨著Pb的摻雜量的增加,ZnO薄膜的光學帶隙幾乎呈線性減小;PL譜研究發(fā)現了1.53 at

4、.％的ZnO:Pb薄膜有兩藍、一綠和一紅光發(fā)射帶,有望通過紅綠藍三基色疊加原理實現白光發(fā)射,從而運用于LED等平面顯示技術;對不同發(fā)光峰的發(fā)光機制進行了簡單討論,隨著Pb的摻雜量的增加ZnO薄膜的阻值也隨之增加。
　　2.利用靜電紡絲技術分別制備了純ZnO和ZnO:Y前驅體,然后通過燒結重結晶后形成納米粒子。通過SEM、BET、HRTEM、XRD、PL、EDS mapping、XPS等表征手段對制備納米材料進行了形貌和結構表征,并

5、分別制成氣敏器件。結果發(fā)現,純ZnO和Y摻雜的ZnO都為六角纖鋅礦結構。Y摻雜的ZnO中的Y元素有兩種存在形式:一是從晶格參數和 PL的結果分析得,一部分Y離子替代Zn離子存在于ZnO的晶格處,導致電子施主缺陷濃度和活性位點的增加;二是從HRTEM和XRD的分析結果得,一部分Y是以Y2O2的形式存在,并形成了 ZnO-Y2O3復合納米粒子,由于晶體結構的不同導致了粒子尺寸的減小和比表面積的增加(純 ZnO為14.5m2/g和~100-1