ZnMgO納米結(jié)構(gòu)的制備及其特性研究.pdf

1、近年來，越來越多的科研工作投入到制備納米材料上，一維ZnO納米結(jié)構(gòu)由于其可控的制備方法和各種特殊的性質(zhì)以及在場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、傳感器、太陽能電池上的應(yīng)用而受到了越來越多的關(guān)注。各種結(jié)構(gòu)的ZnO納米材料例如納米線、納米帶、納米墻和納米棒已被制備出。為了提高ZnO的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，摻雜各種元素的ZnO納米結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用。MgO的禁帶寬度約為7.7meV，因此Mg摻雜的ZnO可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其帶寬，Mg2+的半徑(0.057nm

2、)與Zn2+的半徑(0.06nm)十分相近，所以Mg原子替代Zn原子不會(huì)引起晶格常數(shù)的太大變化。ZnMgO禁帶寬度的可調(diào)性為以“能帶工程”為基礎(chǔ)的新型半導(dǎo)體器件的開發(fā)開辟了新的研究空間。
　　目前，制備Mg摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)有很多方法，例如激光脈沖沉積(PLD)，分子束外延法(MBE)，溶膠凝膠沉積，水熱法和化學(xué)氣相沉積法(CVD)等，這些制備沉積方法都存在各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。如今，Mg摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其結(jié)

3、構(gòu)、帶隙及發(fā)光特性已進(jìn)行了廣泛而深刻的研究，但是仍然有許多問題需要揭示，如ZnMgO納米結(jié)構(gòu)的可控生長問題，有效控制提高M(jìn)g含量的摻雜、帶隙隨Mg含量的變化而變化的機(jī)理等問題都是需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
　　本文采用化學(xué)氣相沉積法和水熱法，通過改變制備過程中的生長條件，摻雜濃度等參數(shù)來研究制備的Mg摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)所具有的某些特殊性質(zhì)，并詳細(xì)對樣品的結(jié)構(gòu)、成份、帶隙及發(fā)光特性進(jìn)行了分析研究。本論文主要的研究結(jié)果如下:
　　

4、(1)利用化學(xué)氣相沉積法在Si(111)襯底上制備了Mg摻雜ZnO納米棒，生長溫度為750℃，無催化劑，改變生長時(shí)間分別為30min、60min、75min、90min，分析不同生長時(shí)間對制備的樣品的形貌、結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)等的影響。結(jié)果表明，制備的納米棒的長度和直徑隨著生長時(shí)間的增加而變大。生長時(shí)間為60min時(shí)生長的ZnO納米棒具有良好的C-軸取向生長，隨著生長時(shí)間的增加，納米棒呈無取向分布生長。通過分析樣品的生長機(jī)制，得出制備的樣品包

5、括ZnMgO納米薄膜和ZnMgO納米棒兩個(gè)部分的生長。光致發(fā)光(PL)譜表明隨著生長時(shí)間的增加，近帶邊紫外發(fā)射峰出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移，說明Mg原子替代晶格中的部分Zn原子而使帶寬變寬。
　　(2)利用化學(xué)氣相沉積法，保持生長時(shí)間60min不變，改變生長溫度(850℃、950℃、1050℃)，在Si襯底上制備出Mg摻雜ZnO納米片。分析測試結(jié)果表明，生長溫度為850℃時(shí)，生長的ZnMgO具有最好的結(jié)晶質(zhì)量，隨著生長溫度的升高，納米片的尺

6、寸變大，厚度變厚，頂端的針狀結(jié)構(gòu)變粗且部分消失，樣品的結(jié)晶質(zhì)量變差，這是由于溫度越高，Zn原子和Mg原子的活性增大，導(dǎo)致更多的ZnMgO沉積的同時(shí)也造成了較多的缺陷產(chǎn)生，光致發(fā)光圖譜中ZnMgO納米片表現(xiàn)出較強(qiáng)的可見光發(fā)光以及較弱的紫外發(fā)光，這與溫度升高樣品的結(jié)晶質(zhì)量變差是相關(guān)的，缺陷的增多從而降低了樣品在紫外發(fā)光區(qū)域的本征發(fā)光性能。
　　(3)利用化學(xué)氣相沉積法，保持生長溫度750℃，生長時(shí)間60min不變，通過改變原料中Zn/

7、Mg摩爾比例(50∶1，45∶5，40∶10)，在Si襯底上制備出ZnMgO納米棒。隨原料中Mg含量的增加，納米棒的直徑變小，粗細(xì)變得均勻，納米棒表面光滑無突起，樣品的擇優(yōu)取向生長變差，當(dāng)反應(yīng)物中Zn/Mg摩爾比例為50∶1時(shí)，ZnMgO納米片具有最好的結(jié)晶質(zhì)量，反應(yīng)物中Mg含量的繼續(xù)增加導(dǎo)致樣品質(zhì)量開始變差，這可能是由于更多的Mg摻入ZnO中使得缺陷增多造成的;光致發(fā)光譜測試分析發(fā)現(xiàn)隨反應(yīng)物中Mg含量的增加，紫外發(fā)光峰與可見光發(fā)光峰的

8、強(qiáng)度之比變小，說明ZnMgO納米棒中產(chǎn)生的缺陷增多，且紫外發(fā)射峰從382nm左移至376nm處，出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，說明越來越多的Mg2+進(jìn)入ZnO晶格中取代了Zn2+的位置，從而使得帶寬增大，實(shí)現(xiàn)了能帶調(diào)節(jié)的目的。
　　(4)采用水熱法，以乙酸鋅(Zn(CH3COO)2·2H2O)、乙酸鎂(Mg(CH3COO)2·4H2O)和NaOH為原料，在反應(yīng)釜中制備Mg摻雜ZnO納米顆粒。通過改變原料中Mg的摩爾比例，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的形貌變得規(guī)

9、則，隨著Mg摻入量的增大，納米顆粒組成的團(tuán)簇球逐漸變?yōu)榧{米顆粒組成的六角柱體結(jié)構(gòu);當(dāng)樣品為純的ZnO或Mg摻入量較少時(shí)，生長的ZnMgO納米顆粒的結(jié)晶質(zhì)量相對較好，存在較少的缺陷，此條件下光致發(fā)光譜中樣品的可見光強(qiáng)度小于紫外發(fā)光峰的強(qiáng)度，因此可以認(rèn)為少量的Mg摻入可以提高ZnMgO納米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)量，隨著Mg含量的增加，紫外發(fā)射峰出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)帶寬的目的。
　　(5)采用兩步法，首先經(jīng)化學(xué)氣相沉積法在Si襯底上生長Z

10、nO籽晶層，然后利用水熱法于特定條件下制備出不同Mg摻雜量的ZnO納米棒。分析測試結(jié)果表明，兩步法合成制備的Mg摻雜ZnO納米棒尺寸均勻，取向良好，端面規(guī)則，結(jié)晶性良好，隨著原料中Mg含量變大，ZnMgO納米棒由混合取向生長逐漸變?yōu)檎R分布的納米棒陣列，這是因?yàn)檫M(jìn)入ZnO晶格中的Mg2+起到了促進(jìn)ZnO晶體的結(jié)晶和減少缺陷作用，而游離態(tài)的Mg2+起著抑制ZnMgO納米棒C軸取向生長的作用，XRD及拉曼潛測試結(jié)果均表明當(dāng)反應(yīng)溶液中Mg的含