11252.cd摻雜zno的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用研究

1、重慶師范大學(xué)碩士學(xué)位論文Cd摻雜ZnO的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用研究碩士研究生：熊金龍指導(dǎo)教師：馬勇（教授）學(xué)科專業(yè)：凝聚態(tài)物理所在學(xué)院：物理與電子工程學(xué)院重慶師范大學(xué)二零一六年四月重慶師范大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要ICd摻雜ZnO的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用研究摘要ZnO是一種重要的金屬氧化物半導(dǎo)體材料，是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下，它的禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能為60meV。近些年來，ZnO的結(jié)構(gòu)以及其潛在的廣泛應(yīng)用（如壓電效應(yīng)、光電子學(xué)

2、、光催化、光電轉(zhuǎn)換與氣敏特性等）吸引了大量科研人員的研究興趣。ZnO在光學(xué)方面的性質(zhì)與應(yīng)用倍受關(guān)注。人們?cè)趹?yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，本征ZnO半導(dǎo)體的性質(zhì)存在不足，但是大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，適當(dāng)?shù)膿诫s可以改善本征體ZnO的光學(xué)性質(zhì)，這對(duì)于ZnO光學(xué)性質(zhì)的研究具有重要的意義。本文從理論模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)Cd摻雜ZnO材料的光學(xué)性質(zhì)分別進(jìn)行了理論基礎(chǔ)和潛在應(yīng)用的研究。在理論研究方面，采用第一性原理計(jì)算的方法以Cd原子替位摻雜222超晶胞ZnO中的

3、Zn原子，對(duì)本證ZnO和摻雜后的ZnO:Cd晶胞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別計(jì)算優(yōu)化后結(jié)構(gòu)體系的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、布居數(shù)、介電函數(shù)以及吸收系數(shù)，并且分析了其電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，Cd摻入ZnO后，使得晶胞發(fā)生微小的膨脹；在7eV處出現(xiàn)很窄新能帶，導(dǎo)帶底下降，帶隙變窄；介電函數(shù)虛部整體紅移，低能區(qū)域的介電峰強(qiáng)度增加，高能區(qū)域的介電峰強(qiáng)度減?。辉谧贤鈪^(qū)吸收邊發(fā)生紅移，且吸收系數(shù)有所增大。在實(shí)驗(yàn)研究方面，以Zn(NO3)26H2O和Cd(NO3

4、)24H2O為源材料，采用低溫水熱法成功的制備了ZnO和ZnO:Cd納米棒(其中CdZn的摩爾比為0.02、0.04、0.06)。通過X射線衍射儀(XRD)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分別對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行表征。將制備的樣品制成納米薄膜器件，利用分光光度計(jì)測(cè)試了納米材料薄膜器件在常溫環(huán)境中對(duì)1000ppm的四種典型的還原性氣體（氫氣、乙醇、丙酮以及氨氣）的光學(xué)氣敏特性。結(jié)果表明，隨著Cd摻雜濃度的增加，ZnO的晶格常數(shù)a

5、和c的值逐漸增大，這與理論計(jì)算的結(jié)果相符；Cd摻雜前后的ZnO納米材料均為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的納米棒；ZnO:Cd納米棒比表面積更大；在室溫下，Cd摻雜前后的ZnO對(duì)氨氣的選擇性最好；純ZnO納米材料薄膜器件對(duì)氫氣不敏感，其靈敏度僅為1.002，對(duì)乙醇和丙酮較為敏感，靈敏度分別為1.031和1.041，而對(duì)氨氣的靈敏度最高達(dá)到了1.245；Cd摻雜后，納米材料薄膜器件對(duì)所有的測(cè)試氣體敏感性都有所增強(qiáng)；特別地，當(dāng)Cd摻雜濃度為2%時(shí)，2%Zn