金屬離子注入固體材料納米顆粒合成、熱演變及光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、本論文利用金屬離子，如Zn和Cu，注入到三類固態(tài)材料，即SiO2、Al2O3和單晶Si中，借助于紫外-可見(jiàn)光吸收譜儀(UV-Vis)、X-射線衍射譜儀(XRD)、橫截面試樣的透射電子顯微鏡(XTEM)、原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光譜儀等詳細(xì)地研究了納米顆粒形成、熱演變以及相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)，具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　 (1)利用45 keV Zn離子注入SiO2，劑量分別為5×1015、1×1016、5×1016和1×101

2、7 ions/cm2，系統(tǒng)地研究Zn納米顆粒的形成與劑量的依賴關(guān)系以及Zn納米顆粒在氧氣氣氛下退火的演變過(guò)程。注入劑量在5×1016 ions/cm2劑量時(shí)觀測(cè)到了最佳Zn納米顆粒的等離子體共振峰(SPR峰)。當(dāng)退火溫度升高到600℃時(shí)，Zn納米顆粒完全被氧化并形成了ZnO納米顆粒，而700℃時(shí)退火時(shí)會(huì)反應(yīng)生成Zn2SiO4納米顆粒。
　　 (2)采用45 keV Zn離子注入到SiO2樣品，劑量為5.0×1016 ions/c

3、m2，重點(diǎn)研究了三種不同氣氛下Zn納米顆粒的熱演變，即氧氣、氮?dú)饧跋鹊獨(dú)夂笱鯕忭槾瓮嘶?。在氧氣氣氛下退火的樣品和在先氮?dú)夂笱鯕鈿夥障峦嘶鸬臉悠分芯馨l(fā)現(xiàn)具有(002)和(103)取向的ZnO的納米顆粒。而氮?dú)鈿夥障轮挥衂n納米顆粒的生長(zhǎng)。光致發(fā)光結(jié)果表明了在先氮?dú)夂笱鯕鈿夥障峦嘶鸬臉悠分心苄纬删哂休^強(qiáng)紫外發(fā)光的高質(zhì)量的ZnO納米顆粒。
　　 (3)采用500keV、2.0×1016 ions/cm2的Xe離子輻照1×1017 i

4、ons/cm2、45keV Zn離子預(yù)注入的SiO2，重點(diǎn)研究了重離子輻照對(duì)Zn和ZnO納米顆粒形成及其光學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，未經(jīng)Xe離子輻照的SiO2樣品中熱氧化形成的ZnO納米顆粒不僅形狀不規(guī)則，而且大小分布非常不均勻(5-30nm)，而經(jīng)Xe離子輻照的樣品中制備的ZnO納米顆粒呈現(xiàn)近乎球形形狀，其直徑分布大在3-7 nm一個(gè)較小的范圍。盧瑟福被散射(RBS)對(duì)輻照前后Zn分布剖面分析結(jié)果顯示，Xe離子輻照使得Zn較為均勻地

5、分布在樣品中一個(gè)寬的區(qū)間內(nèi)，隨后氧氣氣氛下的熱處理使得Zn均勻成核和氧化，因而形成了尺寸較小且尺寸分布相對(duì)均勻的ZnO納米顆粒。
　　 (4)采用1.0×1017 ions/cm2、45 keV Cu離子注入α-Al2O3單晶，研究了Cu納米顆粒在真空和氧氣兩種退火氛圍下的熱演變。研究結(jié)果顯示，在300-600℃溫度范圍內(nèi)，真空中退火幾乎對(duì)Cu納米顆粒的生長(zhǎng)不起作用，而氧氣氣氛下退火則不僅促使了Cu納米顆粒的氧化形成CuO納米顆

6、粒，而且還大大地促進(jìn)了納米顆粒的熱生長(zhǎng)。
　　 (5)采用1.0×1017 ions/cm2，45 keV Zn離子注入α-Al2O3單晶，重點(diǎn)研究Zn離子注入缺陷以及Zn納米顆粒熱氧化對(duì)α-Al2O3光學(xué)性能的影響。研究結(jié)果顯示，Zn離子注入引入了大量的F型缺陷使得樣品具有很強(qiáng)的缺陷發(fā)光。由于ZnO發(fā)光和Al2O3缺陷發(fā)光的疊加，600℃退火后樣品的發(fā)光峰出現(xiàn)了顯著的增強(qiáng)。
　　 (6)采用1.0×1017 ions/