過渡金屬摻雜ZnS基納米稀磁半導(dǎo)體的制備與性能研究.pdf

1、近年來，由于稀磁半導(dǎo)體納米材料能夠同時利用電子的電荷和自旋特性，在自旋場效應(yīng)晶體管、邏輯器件、自旋極化發(fā)光二極管、磁感應(yīng)器、光隔離器、半導(dǎo)體激光器集成電路和量子計算機(jī)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。ZnS作為一種典型的II-VI族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.66eV，自由激子結(jié)合能為3.8meV，具有良好的鐵磁、壓電、光電和光敏等特性。通過控制制備工藝、改變摻雜元素種類以及摻雜量可以有效調(diào)整ZnS的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)

2、到有效控制ZnS的光學(xué)、磁學(xué)和光催化性能。本論文采用水熱法成功制備出一維ZnS納米棒樣品，并系統(tǒng)研究了過渡金屬Mn和Ni離子摻雜對樣品的微觀結(jié)構(gòu)、形貌、光吸收特性、磁學(xué)性能及光催化活性的影響。
　　主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　本論文首先通過系統(tǒng)地改變水熱反應(yīng)的工藝參數(shù)(反應(yīng)物質(zhì)的摩爾比、反應(yīng)溶劑體積比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間)獲得最優(yōu)化工作參數(shù)組合，實現(xiàn)對產(chǎn)物的晶型、晶粒尺寸和形貌的有效控制。利用XRD、FESEM和UV-vi

3、s等手段對所制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和帶隙結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了表征，分析不同的工藝參數(shù)對其形貌和結(jié)構(gòu)的影響。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)物質(zhì)的摩爾比、反應(yīng)溶劑的體積比、溫度和時間影響因素的變化，對所制的ZnS樣品晶體結(jié)構(gòu)并沒有影響，所制的樣品都為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnS，卻對其形貌有明顯的影響。均勻分布，結(jié)晶良好的納米棒狀ZnS表現(xiàn)出最好的光吸收特性。
　　同時本論文主要以乙二胺為修飾劑，采用水熱法合成了不同摻雜比例的Zn1-xNixS、Zn1-xMnx

4、S(x=0.01,0.02,0.03,0.05和0.07)稀磁半導(dǎo)體材料，通過X射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線能量色散譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、紫外可見漫反射光譜(UV-VIS)、光致發(fā)光(PL)和振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)等方法對樣品的微觀結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)及磁性能進(jìn)行測量表征，同時使用RhB水溶液作為陽光照射下的模型污染物，研究了Zn1-xNixS和Zn1-x

5、MnxS樣品的光催化降解效率。實驗結(jié)果表明，本方法制備的所有樣品具有結(jié)晶良好的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，沒有雜峰出現(xiàn)。樣品形貌為一維的納米棒狀，分散性良好。摻雜的Mn2+和Ni2+均以替代Zn2+的形式進(jìn)入到ZnS晶格中，隨著摻雜量的增加樣品的晶格常數(shù)和晶粒尺寸發(fā)生顯著改變。UV-vis吸收光譜顯示所有Zn1-xMxS(M=Mn和 Ni)樣品的帶隙均大于塊體ZnS的帶隙(3.67eV)，并且隨著摻雜量的增加，分別發(fā)生藍(lán)移和紅移現(xiàn)象。摻雜和未摻雜樣品的

6、光致發(fā)光光譜在400-650nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)的藍(lán)色發(fā)射帶，同時與純ZnS相比，Zn1-xMxS和Zn1-xNixS納米棒分別在584nm和520nm處觀察到有Mn2+3d殼層4T1-6A1橘黃色特征發(fā)光峰和Ni2+3F殼層3T1–3A2綠色特征發(fā)光峰的出現(xiàn)。磁性測量表明未摻雜ZnS納米棒室溫下表現(xiàn)為超順磁性，而一定量的(Mn和Ni)摻雜納米棒具有室溫鐵磁性，表明過渡金屬的摻雜對ZnS納米棒的鐵磁性有增強(qiáng)的作用。使用RhB水溶液作為陽光